hydroxypropyl- β- cyclodextrin: Characterization, phase ... · Bioorganic & Medicinal Chemistry ....

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98

CAPÍTULO VI

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

97

5.2. TRABALHOS FUTUROS

Particionar as contribuições para energia, no intuito de entender quais as forças que

contribuem para uma maior estabilidade do complexo.

Calcular o efeito do solvente nas propriedades dos complexos de inclusão da PYR e SFD

com o HP β-CD , tomando o solvente explicitamente

96

Os resultados teóricos de energia livre de Gibbs foram menores do que zero para o

complexo HP β-CD 6/SFD com o convidado na orientação NH2int, em todos os métodos no

vácuo e para os métodos RM1 e PM6 em meio aquoso. Comparando o resultado teórico com o

experimental, obtido pela mesma técnica aplicada a pirimetamina, constata-se que para o

complexo HP β-CD 6/SFD apenas o PM3 vácuo está em acordo com os resultados experimentais.

Enquanto que para a HP β-CD 2/SFD os métodos PM3 e RM1 coincidem com os

resultados experimentais, no entanto a energia livre de Gibbs indica que apenas o último método

e o PM6 serão espontâneos tanto no vácuo como no COSMO. Assim como ocorreu com a

pirimetamina os valores foram mais negativos no vácuo do que em meio aquoso.

Pode-se concluir que tais divergências em relação aos dados experimentais quando se

considera o sistema no COSMO estão relacionadas ao fato da realização de cálculos teóricos sem

considerar o efeito do solvente explicitamente, e por isso se torna evidente a necessidade do

estudo de ambos os complexos considerando a presença do mesmo.

Diante disto, provavelmente se o solvente for considerado explicitamente possa

evidenciar a espontaneidade do processo, e assim o método PM3 seria o mais eficaz ao descrever

as propriedades dos complexos de inclusão formados pela ciclodextrina.

De maneira geral, tanto para os complexos formados pela PYR como pela SFD, mesmo

em alguns casos mencionados em que a energia livre de Gibbs é positiva, pode-se perceber que o

método PM3 no vácuo foi capaz de reproduzir resultados obtidos pelo espectro de 1H NMR 2D

(ROESY).

Os resultados deste trabalho estão em acordo com diversos trabalhos [24,25,28,29], que

sugerem o PM3, como o método que melhor descreve os complexos de inclusão formados pela

ciclodextrina, quando se compara os resultados obtidos teoricamente com os experimentais.

95

CAPÍTULO V

CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS

5.1. CONCLUSÕES

A partir da entalpias de formação obtidas através de cálculos de mecânica molecular

(MM3) e semiempíricos (AM1, PM3, RM1 e PM6) pode-se constatar que para a maioria dos

métodos a HP β-CD6 é mais estável que a HP β-CD2, comportando-se de maneira oposta apenas

o método MM3.

A partir dos resultados teóricos encontrados verifica-se que a energia livre de Gibbs para

o complexo HP β-CD 6/PYR foi menor do que zero em todos os métodos no vácuo, enquanto que

em meio aquoso isto não ocorre apenas com o AM1, considerando a molécula convidada na

orientação NH2ext. Quando se compara este comportamento com o espectro de 1H NMR 2D

(ROESY) percebe-se que os sistemas no COSMO não estão em bom acordo com tais resultados e

em contrapartida todos os métodos no vácuo estão em bom acordo com os resultados

experimentais.

Fazendo esta mesma análise para o complexo HP β-CD 2/PYR verifica-se que a energia

livre de Gibbs permanece negativa nos dois meios apenas para os métodos RM1 e PM6. Mas, a

partir dos resultados obtidos pelo espectro de 1H NMR 2D (ROESY) não ocorre uma

coincidência em ambos resultados, pois apenas o método PM3 vácuo é que se comporta de

maneira mais próxima aos resultados experimentais.

Pode-se concluir que para a pirimetamina os complexos serão mais favoráveis quando

formados a partir da HP β-CD 6.

94

CAPÍTULO V

CONCLUSÕES E TRABALHOS

FUTUROS

93

AM1 PM3

RM1 PM6

Figura 40: Representação das estruturas obtidas a partir dos métodos semiempíricos AM1, PM3,RM1 e PM6 no

vácuo para o complexo HP β-CD 6/SFD, com a sulfadiazina na orientação NH2int.

92

Observando as configurações obtidas no vácuo dos complexos de inclusão na orientação

sugerida pelos dados experimentais, nota-se que para HP β-CD2, os métodos PM3 e RM1

mostram que os hidrogênios Ha interagem apenas com os hidrogênios H-3 da CD (ver figura 39),

de acordo com os dados de RMN, já para os métodos PM6 e AM1 verifica-se uma forte interação

com os prótons H-3 e H-5, ou seja sugerem uma forte penetração do convidado no interior da

molécula hospedeira, resultado que vai na direção contraria dos dados experimentais.

Da análise termodinâmica observa-se para a HP β-CD2 que apenas o método AM1 no

vácuo e o PM6 e RM1 no solvente estão de acordo com a orientação da SFD na cavidade da HP

β-CD. Já quando comparamos a distância entre os hidrogênios Ha da SFD e H-3 e H-5 da

HPBCD observa-se que deste apenas o RM1 vácuo está em acordo com os dados experimentais

de RMN.

A análise das distâncias entre os hidrogênios da SFD e da HP β-CD6 mostram que o PM3

e o RM1 tem o mesmo comportamento, indicando interação forte entre Ha e H-3 e quase

nenhuma interação com H-5, já o PM6 e AM1 a apresentam distâncias muito próximas entre o

Ha da SFD como H-5 da HP β-CD6, sugerindo que o anel aromático da SFD penetra na cavidade

da HPCD6, logo conclui-se que PM3 é melhor método para descrever a entrada do convidado no

hospedeiro para esse sistema.

91

AM1 PM3

RM1 PM6


vácuo para o complexo HP β-CD 2/PYR, com a sulfadiazina na orientação NH2int.

90

Figura 38: Representação dos prótons da sulfadiazina e o eEspectro 1H ROESY do sistema HP β-CD/SFD em D2O à

298,1K. [34].

O espectro de 1H NMR 2D (ROESY) representado na figura 39 mostra que prótons Ha

do anel anilina p-substituído da sulfadiazina correlaciona com ambos prótons H-3 e H-5 da HP

β-CD sendo mais forte aparentemente a correlação com o H-3. Os picos cruzados dos prótons

correlacionados com separação menor que 0,4 nm indicaram que o anel é pouco incluído na

cavidade da CD. Como os prótons H-3 estão localizados na borda secundária da CD indicando

que a inclusão pode envolver relativamente pouca penetração.

89

Além disso, pode-se notar que a orientação NH2int é em geral, a orientação de entrada

mais estável, exceto nos métodos RM1 e PM6 vácuo, ou seja, segundo estes métodos o solvente

determina a orientação de entrada da SFD na cavidade da CD.

Quando se considera os complexos formados a partir da HP β-CD2/SFD, os resultados

obtidos para a energia livre de inclusão estão representados na figura 37 considerando o

convidado nas duas orientações NH2ext e NH2int.

De acordo com os resultados encontrados, no vácuo, apenas para os métodos RM1 e PM6

foram encontrados energia livre de inclusão negativas com o convidado em ambas orientações.

Em meio aquoso este comportamento se mantém nos dois métodos para a orientação NH2int,

enquanto que para a orientação NH2ext tal comportamento só é observado no método PM6. O

efeito do solvente contribuiu em todos os casos analisados para tornar a energia livre de inclusão

menos negativa de uma forma geral.

Contudo, a orientação NH2ext no vácuo é preferida para todos os métodos com exceção

do AM1, enquanto que no solvente os métodos em conjunto com modelo COSMO indicam que a

entrada ocorre preferencialmente pela orientação NH2ext para o PM3 e AM1, enquanto o PM6 e

RM1 indicam a orientação NH2int.

Os resultados experimentais utilizando o espectro de 1H NMR 2D (ROESY)[34], com a

presença de picos de NOE também foi usado no estudo do complexo HP β-CD/SFD. Constatou-

se que o espectro do próton 1H da HP β-CD foi menor do que 5,5 ppm. Um aumento de 6 para

8,7 ppm evidencia sinais da SFD: δ= 6,628ppm (d, Ha), δ= 6,933 ppm (t, Hd), δ= 7,717 ppm (d,

Hb) e o δ= 8,411 ppm (d, Hc) de acordo com as figuras 38 para identificação do próton.

88

A partir destes resultados pode-se perceber que quando os complexos se encontram no

vácuo, para a orientação NH2ext da molécula convidada, nos métodos RM1 e PM6 foram obtidos

valores menores do que zero de energia livre de inclusão. O mesmo ocorre para a orientação

NH2int em todos os métodos, sugerindo assim que a formação de tais complexos é estável. Desta

maneira apenas os métodos AM1 e PM3 para a orientação NH2ext sugerem o contrário.

Analisando os complexos na presença do solvente tem-se que este contribuiu para que

houvesse um aumento da energia livre de inclusão em ambas orientações do convidado, fazendo

com que na orientação NH2ext todos os métodos apresentassem valores positivos, enquanto na

configuração NH2int isto ocorre com os métodos AM1 e PM3. Nestas situações sugerem que o

processo seja não espontâneo. Assim o processo só foi considerado espontâneo para os métodos

RM1 e PM6 com o convidado localizado através do NH2int, pois tais valores foram negativos.

AM

1-N

H2e

xt

PM

3-N

H2e

xt

RM

1-N

H2e

xt

PM

6-N

H2e

xt

AM

1-N

H2i

nt

PM

3-N

H2i

nt

RM

1-N

H2i

nt

PM

6-N

H2i

nt

Métodos

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

iG/k

cal m

ol-1

Vácuo COSMO

Figura 37: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD2/SFD, para os métodos

semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.

16,04 9,92

-49,46

-89,04

14,02

12,24

-42,66

-77,20

27,73 20,54

1,00

-33,62

43,54

28,08

-16,33

-47,60

87

Para o convidado na orientação NH2ext verifica-se que o solvente contribui para tornar a

entropia de inclusão menos negativa no método RM1, já que no método AM1 os valores

encontrados no vácuo (-22,8 kcal.mol-1) e no meio aquoso (-22,9 kcal.mol-1) foram muito

próximos. Enquanto que para a orientação NH2int este comportamento se mantém apenas no

método AM1 tanto para o vácuo (-22,6 kcal.mol-1) como em meio aquoso (-22,2 kcal.mol-1). O

solvente só conseguiu tornar a entropia de inclusão menos negativa para este método.

AM

1-N

H2e

xt

PM

3-N

H2e

xt

RM

1-N

H2e

xt

PM

6-N

H2e

xt

AM

1-N

H2i

nt

PM

3-N

H2i

nt

RM

1-N

H2i

nt

PM

6-N

H2i

nt

Métodos

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

iG/k

cal m

ol-1

Vácuo COSMO

Figura 36: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD6/SFD, para os métodos


De acordo com as equações 04 e 05 foram obtidos os valores de energia livre de inclusão

para a sulfadiazina e os valores encontrados nos casos dos complexos HP β-CD6/SFD,

considerando o convidado nas duas orientações NH2int e NH2ext, estão representados na figura

36.

-7,52 -2,42

-23,45

-2,44

-10,92 -8,06

-23,32 -22,99

18,81

98,67

84,74

118,57

15,48 10,10

-8,35 -2,03

86

orientação NH2ext, os valores foram bastante negativos, indicando que nestes casos a formação

do complexo pode ser muito instável.

AM

1-N

H2e

xt

PM

3-N

H2e

xt

RM

1-N

H2e

xt

PM

6-N

H2e

xt

AM

1-N

H2i

nt

PM

3-N

H2i

nt

RM

1-N

H2i

nt

PM

6-N

H2i

nt

Métodos

-32

-30

-28

-26

-24

-22

-20

-18

Τ∆iS

/kca

l mol

-1

Vácuo COSMO

Figura 35: Produto da temperatura pela entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-

CD2/SFD, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no

COSMO.

Como representado na figura 35, na qual são encontrados os valores de entropia de

inclusão formados a partir da HP β-CD2, os quais permanecem sendo negativos em todos os

métodos contribuindo para que o processo seja não espontâneo, ou seja a espontaneidade do

processo dependerá dos valores de entalpia de inclusão.

-22,80 -22,90

-26,10

-19,50

-22,60 -22,80

-25,30

-19,40

-22,20

-22,90

-25,20

-24,60

-26,80

-22,20

-24,20

-30,20

-22,40

85

abaixo, para os complexos da sulfadiazina, HP β-CD6/SFD e na figura 35 para a , HP β-

CD2/SFD.

AM

1-N

H2e

xt

PM

3-N

H2e

xt

RM

1-N

H2e

xt

PM

6-N

H2e

xt

AM

1-N

H2i

nt

PM

3-N

H2i

nt

RM

1-N

H2i

nt

PM

6-N

H2i

ntMétodos

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

iS/k

cal m

ol-1

Vácuo COSMO

Figura 34: Produto da temperatura pela entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-

CD6/SFD, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no

COSMO.

Quando se considera o convidado nas duas orientações, para a HP β-CD6, como

representado na figura 34, pode-se perceber que no vácuo todos os valores encontrados e a

entropia de inclusão foram menores do que zero, sugerindo que essa propriedade termodinâmica

contribui para a não espontaneidade do processo.

Considerando o efeito do solvente para tais complexos, verifica-se que este

comportamento se mantém na maioria dos métodos, e que para o PM3, RM1 e PM6 apenas na

-5,48 -7,04

-10,01 -14,5

-6,06 -7,58 -11,2

-13,20 -12,00

-95,6 -94,60

-107,00

-15,90 -10,30

-13,50

-6,45

84

orientação NH2int apresentaram entalpia de inclusão endotérmica e por isso podem contribuir

para a não espontaneidade do processo; (iii) para as duas orientações da SFD no vácuo e em meio

aquoso o método AM1 é o que apresenta valores menos negativos, enquanto que o PM6 se

comporta de maneira inversa apresentando valores mais negativos; (iv) no vácuo todos os

métodos tem a orientação NH2int como a mais estabilizada na cavidade da CD. Já em meio

aquoso o AM1 e o PM3 inverte. Ou seja, a orientação NH2ext é mais estabilizada do que a

NH2int para os métodos AM1 e PM3.

AM

1-N

H2e

xt

PM

3-N

H2e

xt

RM

1-N

H2e

xt

PM

6-N

H2e

xt

AM

1-N

H2i

nt

PM

3-N

H2i

nt

RM

1-N

H2i

nt

PM

6-N

H2i

nt

Métodos

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

∆ iH

/kca

l mol

-1

Vácuo COSMO

Figura 33: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD2/SFD, para os

métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.

Como já foi mencionado para os complexos com a pirimetamina, sabe-se que valores de

entropia positivos podem contribuir para a espontaneidade do processo. Os valores de entropia de

inclusão foram determinados de acordo com as equações 03 e estão representados na figura 34

-6,76 -12,98

-75,56

-108,54

-8,58

-10,56

-67,96

-96,60

4,83 -4,66

-23,60

-60,42

21,34

3,88

-46,53

-70,00

83

convidada na cavidade da HP β-CD6 . Esta característica sugere que a entalpia de inclusão pode

contribuir para a espontaneidade do processo.

Os valores foram mais negativos para a orientação NH2ext no método RM1, enquanto que

para a orientação NH2int o mesmo ocorre com o PM6. Em ambas orientações o método PM3 foi

o que apresentou valores de entalpia de inclusão menos negativos. Todos os métodos indicam que

a inclusão é mais forte com a orientação NH2int, dentre eles o PM6 é o método de maior

diferença e o RM1 o de menor diferença de entalpia de inclusão em comparação com a

orientação NH2ext.

Ao se considerar o efeito do solvente verifica-se que em todos os métodos, nas duas

orientações do convidado, os valores de entalpia de inclusão encontrados foram menos negativos

do que quando tais complexos se encontram no vácuo, sugerindo que os mesmos se tornam mais

estáveis nesta última condição. No caso da orientação NH2ext pode-se perceber que na maioria

dos métodos, AM1, PM3 e PM6, os valores foram maiores do que zero indicando que se trata de

um processo endotérmico e nestes casos contribuem para que o processo seja não espontâneo.

Para o método RM1 em ambas orientações NH2ext (-9,86 kcal.mol-1) e NH2int (-9,70

kcal.mol-1) foi encontrado valores de entalpia de inclusão muito próximos entre si e menores do

que zero e por isso pode-se dizer que tal aspecto pode contribuir para a espontaneidade do

processo. Sobre a orientação o resultado é similar ao encontrado no vácuo exceto o RM1, no qual

a orientação NH2ext liga-se mais fortemente a CD do que a orientação NH2int.

Estudando o comportamento dos complexos formados com a molécula hospedeira HP β-

CD2, como representado na figura 33, pode-se perceber as seguintes características:(i) em todos

os métodos quando se considera o efeito do solvente, a entalpia de inclusão tendem a se tornar

menos negativas, sugerindo assim que os sistemas são mais estáveis no vácuo; (ii) em meio

aquoso o método AM1 para as duas orientações do convidado e o método PM3 apenas para a

82

4.4. CÁLCULOS DAS PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS DOS

COMPLEXOS COM A SFD/HPβCD

Da mesma forma que ocorreu com a pirimetamina, foram calculados para a sulfadiazina

valores de entalpia de inclusão para os métodos semiempiricos e energia de ligação para a

mecânica molecular. Caso se obtenha para estas propriedades valores negativos, pode-se dizer

que as mesmas contribuem para que o processo de complexação seja espontâneo.

AM

1-N

H2e

xt

PM

3-N

H2e

xt

RM

1-N

H2e

xt

PM

6-N

H2e

xt

AM

1-N

H2i

nt

PM

3-N

H2i

nt

RM

1-N

H2i

nt

PM

6-N

H2i

nt

Métodos

-40

-30

-20

-10

0

10

20

∆ iH

/kca

l mol

-1

Vácuo COSMO

Figura 32: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD6/SFD, para os métodos


Assim, os resultados obtidos para a entalpia de inclusão para o complexo HP β-CD6/SFD

estão apresentados na figura 32. Analisando tais resultados, pode-se perceber que as entalpias de

inclusão no vácuo foram exotérmicas, para as duas formas que foi orientada a molécula

-13,00

-4,62

-33,55

-16,94 -16,98 -15,64

-34,52 -36,19

6,81 3,07

-9,86

11,57

-0,42 -0,20

-9,70 -8,48

81

Substituição no carbono 2 (C2) da β-CD Mapa de energia

2,40 2,60 2,80 3,00 3,20 3,40 3,60 3,80

r/angstrom

478,0

480,0

482,0

484,0

486,0

488,0

490,0

492,0

494,0

E/k

cal.m

ol-1

.

Substituição no carbono 6 (C6) da β-CD

Mapa de energia

1200 1000 800 600 400

2,80 3,40 4,00 4,60 5,20

r/angstrom

-200,0

-150,0

-100,0

-50,0

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

Âng

ulo

died

ro/g

rau

Figura 31: Representação da curva de energia potencial a partir do método MM3 para orientação NH2ext da

sulfadiazina na cavidade da HP β-CD2 e o mapa da superfície de energia potencial também pelo MM3 do mesmo

convidado na mesma orientação, na cavidade da HP HP β-CD6.

80

com o ângulo diedro é ainda menor. De fato o grupamento SO2 e o outro anel aromático estão

completamente fora da cavidade da CD. A energia mínima obtida foi de 526,16 kcal/mol para

uma distância entre os átomos de 2,1 Å e o ângulo diedro de -60,08°.

Na figura 31 mostramos a SFD orientada com o grupo amino externo (NH2ext) na

configuração de menor energia, segundo o método MM3 nas seguintes situações: a) HP β-CD2

com o mapa conformacional 2-D, o qual mostra a curva da energia potencial à medida que a SFD

vai entrando na cavidade da molécula hóspede; b) HP β-CD6 com o mapa conformacional 3-D, o

qual apresenta a variação na energia com a entrada da SFD na cavidade e a rotação do ângulo

diedro entre os seus anéis.

Para o primeiro caso todas as variáveis estão livres, exceto a coordenada de reação, a qual

é dada pela distância entre o hidrogênio da SFD com o oxigênio mais próximo de uma das

hidroxilas ligadas a um carbono primário da HPβ-CD2. Para esta configuração houve variação da

distância entre estes átomos de 2,60 à 3,60 Å, a fim de se obter a estrutura do complexo

correspondente ao mínimo de energia. A partir dos resultados MM3 foi mostrado que o poço de

potencial é largo apresentando a menor energia para este complexo de 479,34 kcal/mol numa

distância de 3,2 Å entre o hidrogênio da SFD e o oxigênio da hidroxila mais próxima da HP β-

CD2.

Para a segunda representação o mínimo de energia para o complexo foi determinado pelo

método MM3 restringindo tanto a distância entre os átomos oxigênio da hidroxila da HP β-CD6

e o hidrogênio da SFD que variou de 3,00 à 5,20 Å como também o ângulo diedro de -180,0 à

+180,0° entre os anéis da SFD. A partir dos resultados encontrados foi obtida a energia mínima

de 313,92 kcal/mol, para uma distância de aproximadamente 3,00 Å entre o hidrogênio da SFD e

a hidroxila primária mais próxima da HP β-CD6 e com um ângulo entre os anéis de

aproximadamente 60º.

79


680 640 600 560 520

1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80

r/angstrom

-200,0

-150,0

-100,0

-50,0

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

Âng

ulo

died

ro/g

rau


1100 1000 900 800 700 600

1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60

r/angstrom

-200,0

-150,0

-100,0

-50,0

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

Âng

ulo

died

ro/g

rau

Figura30: Representação do mapa da superfície de energia potencial a partir do método MM3 para orientação

NH2int da sulfadiazina na cavidade da HP β-CD2 e da HP HP β-CD6.

78

4.3. Estudo do Complexo de Inclusão SFD/HPβCD

Na figura 30 mostramos as duas β-CD substituídas, respectivamente nos C2 e C6, que

foram denominadas como HP β-CD2 e HP β-CD6, formando complexos de inclusão com a SFD

que se encontra na cavidade da molécula hospedeira através do grupo amino (NH2int). A figura

28 representa um mapa conformacional 3-D, correspondente a variação da superfície de energia

potencial, obtida pelo método MM3 com restrições em relação a variação da distância entre um

dos hidrogênios do nitrogênio ligado na extremidade da SFD com o hidrogênio da hidroxila mais

próxima da CD ( variação de 1,20 à 2,40 Å e passos de 0,2 Å) e o ângulo diedro entre um dos

anéis aromáticos com o grupamento SO2 da SFD (variação de -180,0 à 180,0 com passos de 20).

Para o complexo HP β-CD2, o mesmo procedimento foi adotado no qual a distância variou de 1,6

à 2,6 Å, juntamente com a rotação do ângulo diedro que variou de -180,02 à +180,02.

A partir destas considerações o mapa de tal configuração mostra a dependência da energia

com o ângulo de rotação dos anéis da SFD. Para o complexo de inclusão HP β-CD2/SFD

observando o mapa fica claro que a dependência da energia com o ângulo supracitado é muita

fraca.

Certamente essa fraca dependência pode ser explicada pelo fato que o anel aromático e o

grupamento SO2 ficaram praticamente fora da cavidade da CD, o mínimo tem energia igual a

512,12 kcal/mol para uma distância de 2,2 Å entre os átomos da molécula convidada e molécula

hospedeira e ângulo diedro de -180,023°. Para o complexo HP β-CD6, a dependência da energia

77

AM1 PM3

RM1 PM6


vácuo para o complexo HP β-CD 6/PYR, com a pirimetamina na orientação NH2ext

76

AM1 PM3

RM1 PM6


vácuo para o complexo HP β-CD 2/PYR, com a pirimetamina na orientação NH2ext.

75

Figura 27: Espectro 1H ROESY do sistema HP β-CD/PYR em D2O à 298,1K com tempo de medida de

200ms. [33]

Na figura 28 apresentamos a estruturas calculadas na orientação NH2ext no vácuo para a

HP β-CD 2/PYR e na figura 29 apresentamos para a HP β-CD 6/PYR, também no vácuo. Para o

conjunto HP β-CD 2/PYR, a estrutura obtida usando a metodologia PM3 mostra o resultado mais

próximo da expectativa experimental a estrutura tem a distância entre o H-o e H3 e H5 menores

que 0,4 nm, o que não ocorre com nenhum dos outros semiempíricos. Já os resultados para o

conjunto HP β-CD 6/PYR todos os métodos mostram distâncias menores do que 0,4 nm para H3-

H-o e H-m e H5 com os mesmos prótons.

74

Nota-se, também, que o AM1 e o PM6 indicam a mesma orientação como sendo a mais

estável seja no vácuo ou na água simulada usando a metodologia COSMO, para o AM1 a

orientação NH2ext e o PM6 a orientação NH2int.

E finalmente os dois métodos semiempíricos mais utilizados prevêem um ∆G positivo,

enquanto os mais recentes RM1 e PM6 prevêem um ∆G negativo. Ou seja, PM3 e AM1 sugerem

que o processo de encapsular é não espontâneo seja no solvente ou no vácuo, enquanto que o

PM6 e RM1 consideram que o encapsulamento é estável em ambas as orientações.

Os resultados experimentais utilizando o espectro de 1H NMR 2D (ROESY)[33], com a

presença de picos de NOE - uma ferramenta experimental importante que tem auxiliado a

caracterizar os complexos de inclusão com CD, tais picos, permitem identificar quais os grupos

de prótons estão próximos entre si, até uma distância de 0,4 nm - indicam que os prótons H3 e

H5 (deslocamentos de δ=3,923 ppm e δ=3,785 ppm, respectivamente) encontrados no interior da

cavidade da CD correlacionam com H-m (δ=7,473 ppm, posição meta em relação ao Cl no anel

aromático) e H-o (δ=7,221 ppm, posição orto em relação ao Cl no anel aromático) correlaciona

principalmente com o H5 da HPBCD, o que sugere uma forte penetração do anel aromático na

cavidade da HP β-CD (ver figura 27) .

Tais resultados estão em desacordo com a orientação prevista, em geral, com os resultados

teóricos com a inclusão do efeito do solvente usando o modelo COSMO. No entanto, estão em

acordo, em geral, com os resultados no vácuo tanto para a HP β-CD 2 quanto para a HP β-CD 6.

Isto sugere que águas explicitas nos cálculos do solvente são fundamentais para obter resultados

em acordo com os experimentais.

73

para todos os métodos, exceto para o AM1, o qual apresentou valores positivos de ∆G para os

dois meios.

AM

1-N

H2e

xt

PM

3-N

H2e

xt

RM

1-N

H2e

xt

PM

6-N

H2e

xt

AM

1-N

H2i

nt

PM

3-N

H2i

nt

RM

1-N

H2i

nt

PM

6-N

H2i

ntMétodos

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

∆ iG

/kca

l mol

-1

Vácuo COSMO

Figura 26: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-CD2/PYR, para os métodos

semiempíricos, com o convidado nas orientações NH2ext e NH2int, no vácuo e no COSMO.

Na figura 26 são apresentados os valores de energia livre de inclusão para os complexos

considerando a HP β-CD2, no qual se pode observar que o solvente afeta muito pouco o valor

numérico da ∆iG, mas é o suficiente para mudar a orientação preferida no caso do PM3 e RM1,

ambos apresentam a orientação NH2ext como a mais estável no vácuo,no entanto no meio aquoso

apresentam a outra orientação como a mais estável.

10,15 6,55

-39,86

-83,26

16,34 5,83

-32,13

-86,98

18,11

4,83

-22,74

-55,66

30,05

3,32

-26,88

-85,16

72

Sendo: ∆H representa a entalpia, T a temperatura medida a 298K e ∆S a entropia.

A partir desta fórmula obtém-se o ∆G do complexo e da molécula hospedeira.

A

M1-

NH

2ext

PM

3-N

H2e

xt

RM

1-N

H2e

xt

PM

6-N

H2e

xt

AM

1-N

H2i

nt

PM

3-N

H2i

nt

RM

1-N

H2i

nt

PM

6-N

H2i

nt

Métodos

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

iG/k

cal m

ol-1

Vácuo COSMO

Figura 25: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-CD6/PYR, para os métodos

semiempíricos, com o convidado nas orientações NH2ext e NH2int, no vácuo e no COSMO.

Na figura 25 pode-se acompanhar os valores de energia livre de inclusão, medidos em

kcal.mol-1, para os complexos formados a partir da HP β-CD6. Fazendo uma análise do gráfico

nota-se que: (i) para a maioria dos cálculos a energia livre de Gibbs foram negativas, o que

sugere que o processo de inclusão seja espontâneo; (ii) o efeito do solvente aparece mais

fortemente para a orientação NH2int e (iii) no vácuo a orientação favorecida é a NH2ext para

todos os métodos e a orientação NH2int é a mais favorecida na água segundo o modelo COSMO

-9,78 -4,12 -11,62

-24,32

78,42

4,35

76,54

-14,09

7,92

-35,33

-13,65

-15,26

109,70

-15,41

-63,71

-12,85

71

AM

1-N

H2e

xt

PM

3-N

H2e

xt

RM

1-N

H2e

xt

PM

6-N

H2e

xt

AM

1-N

H2i

nt

PM

3-N

H2i

nt

RM

1-N

H2i

nt

PM

6-N

H2i

nt

Métodos

-30

-28

-26

-24

-22

-20

-18Τ∆

iS/k

cal m

ol-1

Vácuo COSMO

Figura 24: Produto da temperatura pela entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-

CD2/PYR, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no

COSMO.

As figuras 25 e 26 apresentam o cálculo da energia livre de inclusão (∆iG ) através da

diferença entre a energia livre do complexo de inclusão gerado e a energia do hospedeiro(HPβ-

CD) e o convidado isolado representada pela equação abaixo:

∆iG = ∆Gcomplexo - (∆G hospedeiro+ ∆Gconvidado) (4)

A energia livre do complexo foi determinada conforme a equação 4:

∆G = ∆H - T ∆S (5)

-20,70 -20,40

-23,80

-21,20

-21,98

-20,19

-24,99

-2048

-20,80

-28,60 -29,20

-27,00

-20,46

-25,31

-29,40

-23,32

70

De acordo com a figura 23 todos os valores encontrados para a entropia de inclusão

formados a partir da HPβ-CD6 , foram negativas, exceto para RM1 na orientação NH2int usando

o modelo COSMO. Portanto, em geral, o termo T∆S contribui para a não espontaneidade do

processo, já que contribui para deixar o ∆G mais positivo. Este comportamento é esperado já que

na forma de complexo de inclusão ocorre uma diminuição nos graus de liberdade do convidado

comparado com cada uma das moléculas livre, o valor de T∆S pode ser positivo quando

considera-se moléculas de água inclusa na cavidade da CDs.

O RM1 na orientação NH2int em meio aquoso apresentou um comportamento não

esperado uma vez que o modelo COSMO não utiliza moléculas de água explicitamente. Cabe

salientar que o efeito do solvente ou da orientação foram muito pequenos para todos os métodos

em todos os casos, exceto, novamente, pra o RM1 na orientação NH2int.

Quando os complexos são formados pela HP β-CD2 como mostra a figura 24, os valores

encontrados para a entropia foram negativos em todos os métodos considerando ou não o efeito

do solvente.

Os valores de entropia tendem a se tornar mais negativos quando se considera o efeito do

solvente na maioria dos casos, com exceção apenas do AM1 quando o convidado se encontra na

orientação NH2int. Assim, o método COSMO na maioria das metodologias semiempíricas

sugerem que o termo entrópico contribui mais fortemente para que não haja a formação do

complexo de inclusão, em contradição com os resultados esperados experimentalmente.

69

AM

1-N

H2e

xt

PM

3-N

H2e

xt

RM

1-N

H2e

xt

PM

6-N

H2e

xt

AM

1-N

H2i

nt

PM

3-N

H2i

nt

RM

1-N

H2i

nt

PM

6-N

H2i

nt

Métodos

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

Τ∆iS

/kca

l mol

-1

Vácuo COSMO

Figura 23: Produto da temperatura pela entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-

CD6/PYR, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no

COSMO.

As entropias de inclusão foram obtidas a partir da equação:

∆iS= Scomplexo-(SHPβ-CD + Sconvidado ) (3)

sendo: ∆iS é entropia de inclusão do sistema, Scomplexo é entropia do complexo inclusão, SHPβ-CD é

entropia da HPβ-CD e ∆Sconvidado é a entropia da molécula convidada. Como apresentado pela

figura 23 o produto da temperatura, que no caso do experimento foi de 298,15 K, pelo valor da

entropia, dessa forma como a temperatura se mantém constante pode-se considerar que os valores

apresentados no gráfico acima podem ser mencionados como a entropia de inclusão de cada um

dos complexos.

-3,09 -8,52

-18,70 -25,86

-86,7

-2,21

-91,8

-13,3 -4,51

-17,7

-4,65 -8,09

-99,2

-12,2

2,67

-8,26

68

Além disso, ambas orientações apresentaram maiores valores de entalpia de inclusão para

o método AM1, enquanto que para o PM6 o comportamento foi o inverso, ou seja para este

último método os complexos tendem a se tornarem mais estáveis.

Quando se considera o solvente verifica-se que na maioria dos métodos o seu efeito é

aumentar o valor da entalpia de inclusão, ou seja faz com que a entalpia torne-se menos negativa

como pode ser observado no AM1, RM1 e PM6 para a orientação NH2ext, indicando que nestes

casos os complexos são mais estáveis no vácuo. Em particular o método AM1 para a orientação

NH2int o processo foi endotérmico, sugerindo que o processo não é estável. Apenas o método

PM3 para as duas orientações do convidado observou-se que o solvente torna os complexos mais

estáveis já que os valores encontrados se tornaram mais negativos.

Verifica-se que para a orientação NH2int os valores encontrados para o RM1 no vácuo; -

57,12 kcal.mol-1 e em meio aquoso- -56,28 kcal.mol-1, foram muito próximos, o mesmo ocorre

com o PM6 -107,46 kcal.mol-1 no vácuo e -108,48 kcal.mol-1em meio aquoso.

A entropia é outra propriedade termodinâmica que pode contribuir para a formação do

complexo de inclusão seja um processo espontâneo, para isto é necessário que a variação da

entropia seja positiva.

67

orientação NH2-ext, e diminui fortemente o ∆iH para o PM3 nas duas orientações e o RM1 na

orientação NH2-int.

O resultado geral é que em meio aquosos a inclusão da PYR fica mais efetiva na

orientação NH2-int para o método RM1, enquanto que, para a orientação NH2-ext o mesmo

ocorre com o método PM3.

AM

1-N

H2-

ext

PM

3-N

H2-

ext

RM

1-N

H2-

ext

PM

6-N

H2-

ext

AM

1-N

H2-

int

PM

3-N

H2-

int

RM

1-N

H2-

int

PM

6-N

H2-

int

Método

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

∆ iH

/kca

l.mol

-1

Vácuo COSMO

Figura 22: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1do complexo HP β-CD2/PYR, para os métodos


Considerando a entalpia de inclusão para os complexos formados a partir da HP β-CD2

como apresentado na figura 22, pode-se constatar que para ambas orientações do convidado

quando no vácuo as entalpias de inclusão foram exotérmicas sugerindo que energeticamente a

formação de tais complexos são favoráveis.

-10,55 -13,85

-63,66

-106,46

-5,64 -14,36

-57,12

-107,46

-2,69

-23,77

-51,94

-82,66

9,59

-21,99

-56,28

-108,48

66

formação do complexo seja espontâneo, uma vez que contribuem para que energia livre de Gibbs

seja negativa.

Observa-se na figura 21 que os resultados no vácuo, do complexo HP β-CD6, para a

maioria dos métodos libera energia, apenas para o PM3 na configuração NH2int o processo é

endotérmico. Os resultados também sugerem que a inclusão é mais efetiva para o NH2-ext,

exceto para o PM6 (acompanhe a linha de grade).

AM

1-N

H2-

ext

PM

3-N

H2-

ext

RM

1-N

H2-

ext

PM

6-N

H2-

ext

AM

1-N

H2-

int

PM

3-N

H2-

int

RM

1-N

H2-

int

PM

6-N

H2-

int

Método

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

∆ iH

/kca

l.mol

-1

Vácuo COSMO

Figura 21: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD6/PYR, para os métodos


Como o ∆iE previsto pelo método MM3 são -44,19 kcal.mol-1 para a orientação NH2-ext e

-44,86 kcal.mol-1 para a outra orientação, este também sugere que a inclusão é mais efetiva na

orientação NH2-int. Nota-se, também, que o solvente aumenta o ∆iH do AM1, RM1 e do PM6 na

-12,87 -12,64

-18,70

-25,86

-8,28

2,14

-15,26

-27,39

3,41

-37,10

-18,30 -23,35

10,50

-27,61

-60,95

-21,11

65

Figura 20. Variação da entalpia de formação da HP β-CD2 e HP β-CD6 com os métodos semiempíricos AM1, PM3, RM1, PM6 no vácuo e no meio aquoso e a energia MM3 no vácuo.

Fazendo uma análise da variação de energia de inclusão (∆iE) e da entalpia de inclusão

(∆iH) dos complexos HP β-CD2/PYR e HP β-CD6/PYR nas duas orientações, para o método

MM3 e os demais métodos semiempíricos, de acordo com as equações (1) e (2):

∆iH= ∆fHcomplexo - (∆fHHPβ-CD + ∆Hconvidado ) (1)

∆iE = ∆fEcomplexo - (∆fEHPβ-CD + ∆fEconvidado ) (2)

sendo ∆iH é a entalpia de inclusão, ∆fHcomplexo é a entalpia de formação do complexo de inclusão,

∆fHHPβ-CD é a entalpia de formação da 2-hiroxipropil-β-CD, ∆fHconvidado é a entalpia de formação

do convidado. É sabido que a entalpia de reações exotérmicas contribui para que o processo de

-1990,70

-1750,71

-1810,00 -1846,76

-2039,81

-1787,73

-1867,98

-1921,68

-494,51

-2003,11

-1763,43

-1857,75

-1938,34

-1804,69

-2046,21

-1909,06

-1974,84

-519,52

64

4.2. CÁLCULOS DAS PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS DOS

COMPLEXOS COM A PYR/HP βCD

As conformações obtidas na etapa anterior foram consideradas como geometrias de

partida para as otimizações, sem qualquer restrição a fim de obter a estrutura de mínimo, pelos

métodos MM3, os semiempíricos AM1, PM3, RM1, PM6 e para os mesmos métodos

semiempíricos usando o modelo COSMO no intuito de verificar o efeito do solvente na

estabilidade dos complexos de inclusão. Analisando as duas formas da HP β-CD, com o grupo

isopropil no carbono 2 (C2 )- HP β-CD2- e no carbono 6 (C6) da β-CD,- HP β-CD6- para os

complexos de inclusão com o convidado nas orientações NH2-ext. e NH2-int.

Na figura 20 estão representados os valores de entalpia de formação, para HP β-CD2 e

HP β-CD6, modificadas, calculadas pelos métodos semiempíricos estudados neste trabalho e a

energia de ligação calculada pelo método MM3. Nota-se que a HP β-CD substituída na posição 6

é na maioria dos métodos mais estável que a substituída na posição 2, exceto para o método

MM3. Sendo a maior diferença obtida com o método PM6 e a menor diferença com o método

AM1 usando o modelo COSMO. O solvente diminui a diferença entre as duas β-CDs.

63

Substituição no carbono (C2) da β-CD Mapa de energia

490 480 470 460 450 440

1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70

r/angstrom

-200,0

-150,0

-100,0

-50,0

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

Âng

ulo

died

ro/g

rau

Substituição no carbono ( C6) da β-CD Mapa de energia

660 620 580 540 500 460

1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 3,20

r/angstrom

-200,0

-150,0

-100,0

-50,0

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

Âng

ulo

died

ro/g

rau

Figura19: Representação da superfície de energia potencial MM3 para orientação NH2-int da pirimetamina na

cavidade da HP β-CD2 e da cavidade da HP β-CD6.

62


1,40 1,75 2,10 2,45 2,80 3,15 3,50 3,85 4,20

r/angstrom

400,0

600,0

800,0

1000,0

1200,0

1400,0

1600,0

1800,0

2000,0

E/k

cal.m

ol-1

Substituição no carbono 6(C6 )da β-CD Mapa de energia

800 750 700 650 600 550 500 450

1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 3,20

r/angstrom

-200,0

-150,0

-100,0

-50,0

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

Âng

ulo

died

ro/g

rau

Figura18: Representação da curva de energia potencial a partir do método MM3 para orientação NH2ext da

pirimetamina na cavidade da HP β-CD2 e o mapa da superfície de energia potencial também pelo MM3 do mesmo

convidado na mesma orientação, na cavidade da HP HP β-CD6.

61

kcal/mol, para uma distância de aproximadamente 2,80 Å entre o Cl da PYR e a hidroxila

primária mais próxima da HP β-CD6 e com um ângulo entre os anéis de aproximadamente -120º.

A figura 19 representa a variação da superfície de energia potencial, obtida pelo método

MM3 apresentando restrições em relação a variação da distância entre os átomos da molécula

convidada e molécula hospedeira e também na variação do ângulo diedro entre os anéis da

pirimetamina estando esta na orientação NH2int no interior da cavidade da HP β-CD2 e da HP β-

CD6. Para o complexo HP β-CD2, o hidrogênio do grupo amino da molécula convidada pode

fazer uma ligação de hidrogênio com o oxigênio da molécula hospedeira uma vez que a distância

entre estes átomos variou de 1,8 à 2,6 Å, juntamente com a rotação do ângulo diedro entre os

anéis da PYR que variou de -180,02 à +180,02.

A partir destas considerações o mapa de tal configuração mostra dependência da energia

com o ângulo de rotação de anéis da PYR, apresentando dois vales (ver figura 19 a) e a estrutura

que representou o complexo de mínimo tem energia igual a 435,12 kcal/mol para uma distância

de 2,25 Å entre os átomos da molécula convidada e molécula hospedeira e ângulo diedro de -

100°.

Considerando o complexo formado pela da HP β-CD6, a distância entre os átomos

hidrogênio da pirimetamina e oxigênio da molécula hospedeira variou de 2,00 à 3,00 Å, enquanto

a variação da rotação do ângulo diedro se manteve a mesma. Neste caso pode-se perceber que

ocorre uma dependência entre a energia potencial de superfície com o ângulo de rotação da PYR..

Para este complexo a energia mínima obtida foi de 452,94 kcal/mol para uma distância entre os

átomos de 2,25 Å, apresentando ângulo diedro de 90,0°.

60

CAPÍTULO IV

RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1. ESTUDO DO COMPLEXO DE INCLUSÃO PYR/HPβCD

Na figura 18 mostramos a curva da energia potencial, obtida a partir do método MM3,

com a entrada da PYR-NH2-ext na cavidade da HPβ- CD2. No cálculo todas as variáveis estão

livres, exceto a coordenada de reação, a qual é dada pela distância entre o cloro da PYR com o

hidrogênio mais próximo de uma das hidroxilas ligadas a um carbono primário da HPβ-CD2.

Para esta configuração houve variação da distância entre estes átomos de 1,40 à 4,20 Å, a fim de

se obter a configuração do complexo correspondente ao mínimo de energia. A partir dos

resultados MM3 foi mostrado que o poço de potencial é largo apresentando a menor energia para

este complexo de 409,60 kcal/mol numa distância de 2,8 Å entre o cloro e a hidroxila mais

próxima da HP β-CD2. Enquanto o mapa tridimensional representa a superfície de energia

potencial para o complexo com o convidado na mesma orientação, no entanto formado coma HP

β-CD6. Nesta representação o mínimo de energia para o complexo foi determinado pelo método

MM3 restringindo tanto a distância entre os átomos hidrogênio da hidroxila da HP β-CD6 mais

próxima do cloro da PYR como também o ângulo diedro entre os anéis da PYR. A partir dos

resultados encontrados pode-se perceber que a energia varia mais fortemente com a entrada da

PYR na cavidade do que com a rotação do anel, a energia mínima encontrada é de 434,72

59

CAPÍTULO IV

RESULTADOS E DISCUSSÃO

58

3.2. FORMAÇÃO DOS COMPLEXOS COM A PYR E SFD

Na complexação com a pirimetamina (PYR) e a sulfadiazina (SFD), duas configurações

foram consideradas: na primeira o anel NH2-PYR entra na cavidade apontando na direção do

anel de menor diâmetro da HP β-CD (NH2-int), enquanto na outra configuração o anel NH2-PYR

aponta na direção do anel de maior diâmetro da HP β-CD (NH2-ext).

Cada convidado, em seu respectivo complexo, foi inicialmente alinhado ao eixo que passa

pelo centróide da HP β-CD o qual é perpendicular ao plano formado pelos oxigênio glicosídicos.

Em seguida, o convidado caminhou na direção da cavidade passo a passo realizando pequenas

rotações entre os diedros dos anéis. Todas as configurações foram otimizadas usando a

metodologia MM3 com restrição à distância entre os centróides e o ângulo diedro de rotação,

construindo parametricamente desta forma uma superfície de potencial.

A geometria do complexo de inclusão na energia mínima foi utilizada como a estrutura de

partida para os cálculos MM3, AM1, PM3, PM6 e RM1 no vácuo e em fase aquosa sem qualquer

restrição. O efeito do solvente foi calculado usando a aproximação do continuo COSMO [19]

implementada no programa CAChe.

57

Figura 17: Estrutura da β-ciclodextrina, com detalhe para a hidroxilas da posição 2, 3 e 6 como sítio de substituição

preferencial [5].

Inicialmente, foram realizadas análises conformacionais utilizando o método MM3 nas

estruturas HPβ-CD oriundas de substituições nas posições 2 e 6 da β-CD obtida no CSD (as quais

nos referenciamos de agora em diante como HPβCD2 e HPβCD6), com o propósito de

determinar a posição de menor energia dos substituintes sem se afastar muito da conformação de

do raio-X. As estruturas encontradas foram utilizadas para a complexação com as moléculas

convidadas.

56

CAPÍTULO III

METODOLOGIA

3.1. MODELAGEM DAS ESTRUTURAS

A estrutura tridimensional da HP β-CD foi construída a partir de modificações da

geometria cristalográfica da β-CD depositada no banco de dados Cambridge Structure Data Base

(CSD) [18]. Baseado no fato de que a estrutura exata da HP β-CD substituída não é encontrada,

assumiu-se que a hidroxila 2 da β-CD (Figura 17) é mais ácida e a 6 é a mais básica e por isso

mais nucleofílica, enquanto a 3 é inacessível, levando assim a considerar que a substituição de

todos os hidrogênios pelo grupamento 2-hidroxi-propil preferencialmente ocorre nos sítios 2 e 6.

As substituições foram feitas utilizando o programa CAChe Woksystem 6.01, o qual, com

base em distâncias e ângulos padrões, também foi utilizado para a modelagem da estrutura dos

convidados PYR e SFD [19].

55

CAPÍTULO III

METODOLOGIA

54

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Construir os mapas conformacionais com a finalidade de determinar os possíveis mínimos

de energia, no intuito de buscar um geometria de partida que leve ao mínimo global;

• Determinar se o substituinte 2-hidroxipropil prefere a posição 6, a mais ácida, ou a

posição 2, a mais suceptível;

• Determinar qual é a orientação preferida que o convidado (PYR e SFD) entra na cavidade

da 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina;

• Estudar os aspectos termodinâmicos da formação de complexos de inclusão HP β-

CD/PYR e HP β-CD/SFD

.

53

CAPÍTULO II

OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GERAL

• Estudar os complexos de inclusão entre β-CD/PYR e β-CD/SFD usando métodos de

modelagem molecular clássicos e quânticos.

52

CAPÍTULO II

OBJETIVOS

51

permanece em acordo com os resultados experimentais, assim como nos outros métodos

semiempíricos (AM1 e PM3);

3- A utilização de todos estes métodos semiempíricos para a realização de cáculos das

propriedades termodinâmicas dos complexos em estudo, já que existem poucos

pesquisadores trabalhando com tal aspecto.

50

Figura 16: Representação da estrutura mais estável da β- CD apenas com ligações de hidrogênio nas hidroxilas

secundárias. [31]

Jiménez e colaboradores [32] , também verificou as ligações intramoleculares de

hidrogênio formadas na α- ciclodextrina. Os resultados obtidos a partir do método PM3 indicam

que as quatro conformações optimizadas apresentavam um arranjo de ligações de hidrogênio,

diferindo na posição das interações das hidroxilas envolvidas.

No entanto, apenas três destas conformações estavam em acordo com os resultados

experimentais apresentando uma rede de ligações intramolecular de hidrogênio ao redor da face

secundária da α- CD[32].

Diante do exposto, até este ponto, a elaboração deste trabalho teve como principais

aspectos motivadores:

1- O bom acordo existente entre os métodos teórico semiempíricos utilizados e os resultados

experimentais dos trabalhos aqui mencionados;

2- A utilização de métodos semiempíricos mais recentes (RM1 e PM6), a fim de

verificarmos se o comportamento para complexos de inclusão com a ciclodextrina

49

Na conformação de menor energia no anel da β- ciclodextrina foram estabelecidas

ligações de hidrogênio homodrômicas, caracterizadas como ligações de hidrogênio curtas

formadas entre a região com os grupos de hidroxilas primárias e os grupos das hidroxilas

secundárias (figura 15)[31].

Figura 15: Representação das ligações de hidrogênio para as hidroxilas primárias (verde )e secundária (violeta ) da

β- CD.[31]

Esse tipo de análise mostrou que na medida em que ocorre um aumento da distância entre

os átomos de oxigênio – oxigênio dos grupos das hidroxilas primárias, as ligações de hidrogênio

foram desfeitas entre esses grupos, e as duas conformações de mínimo passaram a exibir altas

energias em relação à conformação de baixa energia mencionada acima. Isso é explicado pela

ausência das ligações de hidrogênio, que estavam presentes apenas nas hidroxilas secundárias

(Figura 16)[31].

48

menor energia. Constatou-se, a partir de dados experimentais, que ambos os complexos

coexistem em solução, e a proporção da concentração foi dependente da concentração da β-

CD[30].

Figura 14: Representação dos complexos de inclusão (a) permitrina-(β-CD) e (b) permitrina-(β-CD)2 [30]

Na literatura[31,32], são encontrados outros trabalhos que enfocam o uso da ciclodextrina

em condições que não levam em consideração as águas presentes na sua forma cristalina, fazendo

assim uma análise da estabilidade em relação às ligações de hidrogênio intramoleculares que

podem existir entre as hidroxilas primárias e hidroxilas secundárias da sua estrutura.

Essa linha de pesquisa é observada nas publicações de Snor e colaboradores [31], na qual

é relatada a utilização de cálculos DFT para investigar as conformações de baixa energia da β-

ciclodextrina sob condições anidras em fase gasosa. Suas energias foram obtidas levando em

consideração à distância entre os átomos de oxigênio dos grupos das hidroxilas primárias e os

oxigênios dos grupos das hidroxilas secundárias.

(a) (b)

47

Foi verificado que a solubilidade da permitrina em solução aquosa é aumentada com a

presença da β-CD e há a ocorrência de complexos de inclusão na proporção 1:1 e 1:2 em relação

à permitrina e β-CD respectivamente. A razão entre as concentrações dos complexos 1:11 e 1:2

são altamente dependentes da concentração da β-CD.[30]

Cl

ClO

O

CH3H3C

O

Figura 13: Representação do fármaco permitrina.[30]

A modelagem molecular e simulações de dinâmica molecular (DM) foram utilizadas

primeiramente para encontrar a estrutura mais estável da ligação hidrofóbica entre uma molécula

de permitrina e uma molécula de β-CD, e de acordo com os resultados a β-CD reconheceu

seletivamente o isômero trans 1R, 3R permitrina como a forma mais estável do complexo.[30]

Como mostra a figura 14a o anel benzeno da molécula permitrina fica dentro da cavidade

hidrofóbica da β-CD, enquanto o outro anel com os outros dois átomos de cloro se encontra fora

da cavidade[30].

Considerando a possível ligação do complexo permitrina-(β-CD) com a segunda molécula

de β-CD para formar o complexo permitrina-(β-CD)2 foram analisadas quatro possibilidades e

dentre elas a cabeça- cabeça, como mostra a figura14b foi o modelo mais estável apresentando

46

Com relação à entalpia de inclusão, os resultados prevêem, conforme ilustrado na figura

12, que o sistema α- CD/ DTAB é mais estável que o β-CD/DTAB para todos os métodos

analisados.[29]

Ao investigar as propriedades termodinâmicas foram realizados cálculos para o método

PM3, que ao contrário do AM1, apresentou todas as energias livre de Gibbs negativas, indicando

que o processo ocorre espontaneamente.No entanto para ambos os métodos todas as reações de

complexação são exotérmicas, indicando a ocorrência do processo. [29]

Figura 12: Representação do complexo α- CD/ DTAB para o método AM1(a) e PM3 (b) [29].

Outro composto com baixa solubilidade em água é permitrina (figura 13), substância

usada no tratamento de escabiose (sarna) e em outras áreas terapêuticas. A permitrina foi

estudada por Guang-Fu e colaboradores [30] utilizando modelagem molecular e inúmeros dados

experimentais.

(a) (b)

45

Além de estudar a configuração mais estável do convidado com a molécula hospedeira

estudou também as propriedades termodinâmicas dos complexos formados. O valor negativo para

reação de complexação, sugere que ambos os processos são entalpicamente favoráveis. No

entanto, a mudança de entalpia para orientação borda maior foi mais negativa, o que pode ser

atribuído as mais intensas interações de van der Waals. [28]

As mudanças entálpicas encontradas foram de magnitude similar com os dados

experimentais, mostrando que as estruturas e as energias de reação consideradas foram bem

descritas pelo método PM3. Mas, um importante aspecto do processo, relativo à contribuição

entrópica (∆S), de acordo com estudos experimentais, o valor encontrado foi completamente

diferente do valor calculado., o que provoca um discrepância entre o valor teórico e o

experimental de ∆G.[28]

Esta discrepância pode ser atribuída, em parte, por desconsiderar o efeito hidrofóbico que

está relacionado com a entropia devido a assimilação das moléculas de água após realizada a

inclusão. Tal passo, do processo de inclusão pode ser o mais importante na complexação da

ciclodextrina com o substrato hidrofóbico.[28]

De maneira semelhante Rafati e colaboradores[29] também obteve a configuração mais

estável para os complexos α- e β-ciclodextrinas com o brometo de deciltrimetilamônio (DTAB) e

o brometo tetradeciltrimetilamônio (TTAB) no vácuo e também as propriedades termodinâmicas

destes complexos, para os quais, além de se utilizar o método semi-empírico PM3, utiliza o AM1

e também cálculos ab initio HF / 3-21G e B3LYP/3-21 G.

A estabilidade desses complexos foi analisada por meio de cálculos da entalpia de

inclusão, observando a relação existente entre a menor energia do calor de formação do complexo

gerado e a energia dos hospedeiros e convidados isolados.[29]

44

O trabalho acima mencionado, consiste de uma reinvestigação das diferenças de energia,

conformação do quercetin nos complexos e o efeito do grupo hidroxila próximo do quercetin no

processo de complexação com β-CD usando o método PM3. Os cálculos foram realizados em

fase gasosa e os efeitos da solvatação não foram considerados.[28]

O ∆E negativo sobre a complexação demonstrou que β-CD forma complexos estáveis

com o quercetin. Valores elevados da gap (ELUMO – EHOMO) indicam que apresentam uma alta

estabilidade. A orientação borda menor foi significativamente mais estável que a borda

maior.[28]

A distância O....O calculada para a ciclodextrina foi de 2,73 Å, sugerindo que se trata de

uma ligação intermolecular de hidrogênio, que contribuiu para estabilização da energia no

complexo em que o convidado foi orientado através da borda menor, enquanto para a outra

orientação não foi identificada a estabilização por tal interação, como pode ser visto na figura

11.[28]

Figura 11: Representação do complexo de inclusão quercetin- β-CD orientado a partir da (a) borda menor e (b)

borda maior.[28]

(a) (b)

43

Figura 09: Complexos de inclusão (a) 5-NI- β-CD e (b) 5-NI-DMβ-CD.[27]

No estudo de Chunliyan[28], foi utilizado o método semiempírico PM3 na investigação

do processo de inclusão entre a β-CD e o quercetin numa relação hospedeiro – convidado,

respectivamente. O convidado, como mostra a figura 10, é um importante constituinte da família

dos flavonóides e possui muitos efeitos biológicos que são considerados benéficos para a saúde,

tais como: antioxidante, anticancerígeno, antiviral, na prevenção da arterosclerose e também

atividade para inflamações crônicas.[28]

Figura 10: Representação da estrutura do fármaco quercetin.[28]

(a) (b)

42

Os derivados do 5-nitroindazol foram estudados por Jullian [27] e colaboradores, por ser

identificado como um bom antiparasitário in vitro. Este estudo foi realizado para determinar a

constante de ligação dos complexos de inclusão do 1-(2-dimetilamino)etil)-3-metoxi-5-nitro-1H-

indazol(5NI) (figura 08), com β-CD e heptakis (2,6-di-O-metil)- β-CD (DMβ-CD).

Figura 08: Representação da estrutura do 1-(2-dimetilamino) (etil)-3-metoxi-5-nitro-1H- indazol (5NI).[27]

No caso do complexo 5-NI- β-CD, a conformação obtida pelo método semiempírico AM1

está de acordo com os resultados ROESY, no qual o complexo teve o anel indazol na cavidade da

CD, enquanto os grupos nitro e metoxi são colocados na direção da borda secundária, e na borda

primária o anel indazol. [27]

Já nos resultados teóricos para o complexo 5-NI-DMβ-CD, o anel do nitroindazol é

inserido na cavidade DMβ-CD com o grupo nitro orientado na borda secundária e o grupo metoxi

se encontra na parte externa da borda primária, como mostra as figuras 09 a e b. O grupo nitro é

mais protegido na DMβ-CD do que na β-CD, que está em acordo com resultados

eletroquímicos.[27].

41

A complexação entre o miconazol e a β-CD não é muito alta[26], mas o fator entrópico

tem uma boa incidência na estabilidade do complexo formado. A inclusão (2) e (3),

anteriormente mencionadas, do isômero S aumenta a estabilidade do complexo em condições

ácidas (miconazol ionizado).

Isto pode ser explicado pelo fato que, na presença da β-CD, a carga positiva do miconazol

é melhor distribuída nos átomos de oxigênio da β-CD, o que favorece a repartição das cargas

ocasionando aumento da estabilidade do complexo. Esses resultados estão de acordo com os

obtidos pelo método RMN-H1 que confirma tais complexos como estruturas predominantes.[26]

A inclusão (2) da forma S do miconazol mostrou ser o complexo mais estável com β-CD

em meio neutro ou ácido (figura 07). Os resultados energéticos mostram que γ- CD parece ser

indiferente ao miconazol, não sendo capaz de aumentar a sua solubilidade. Estes fatos foram

confirmados por resultados de solubilidade previamente observados, o que leva a confirmar a

ausência de significativa estabilização de interação entre o miconazol e γ- CD.[26]

.

Figura 07: Representação do complexo mais estável do enantiômero S, miconazol/ β-CD.[26]

40

Figura 06: Complexo de inclusão DBP – Per-Ac- β-CD. [25]

Tem-se também a realização de trabalhos utilizando os métodos semiempíricos para

estudar os complexos de inclusão no qual os convidados são insolúveis (miconazol) ou

apresentam baixa solubilidade em água (quercetin e os, derivados do 5- nitroindazol) que passam

a ter a sua solubilidade aumentada quando formam complexos de inclusão com a ciclodextina, e

assim podem aumentar a sua biodisponibilidade e melhorar a atividade biológica.

A modelagem molecular no estudo da β- e γ- ciclodextrina complexadas com

miconazol[26], um antimicótico na forma ionizada e não ionizada das duas formas enatioméricas

R e S em três diferentes orientações no interior das cavidades das ciclodextrinas: o grupo

diclorobenzeno diretamente unido ao carbono assimétrico(1); o grupo diclorobenzeno –CH2-O-

(2) e o grupo imidazol (3). O autor utilizou método AM1, por considerá-lo uma técnica poderosa

a ser aplicada em sistemas com este tamanho[26]

39

Os resultados mostraram que no vácuo a introdução do anel aromático do salbutamol

(complexo A) é preferível em relação à introdução do grupo terc-butil (complexo B) dentro da

cavidade da β-CD, enquanto que em solução aquosa, ambos os métodos computacionais prevêem

o inverso, ou seja, indicam o complexo B como sendo o mais estável. Essa resultados estão de

acordo com os dados obtidos com 2D-ROESY, uma vez que não há picos cruzados entre os

prótons do anel aromático do salbutamol com os prótons da cavidade da ciclodextrina. A

diferença de energia é mais significante com o método PM3 entre as duas orientações.[24]

Em outro trabalho de A.D. Sayede [25] e colaboradores estudaram a partir de cálculos

PM3, a energia e a geometria do complexo de inclusão da β-CD- peracetilada com difenilfosfina

(DBP). Resultados mostram que os grupos acetis, ao invés do grupo hidroxila, provocam

mudanças na borda primária e secundaria da β-CD. A presença deste grupo, alternativamente na

borda primária e secundária, ocasiona um impedimento estérico que contribui para redução do

tamanho da borda secundária. O efeito inverso ocorre na borda primária onde ocorre um

alargamento ocasionando um estrangulamento(strangling) na estrutura.

Devido a este fato, a molécula DBP é bem incluída na cavidade da Per-Ac- β-CD através

da borda primária tornando este complexo mais estável. Isto não foi possível para a complexação

através da borda secundária,como mostra a figura 06, pois neste caso, o estrangulamento impede

a introdução de todo grupo difenil A partir do mapa do potencial eletrostático e a análise do

orbital de fronteira verifica-se que a interação de Van der Waals destacou-se como a maior força

na complexação do DBP e a Per-Ac- β-CD [25].

38

Assim, eles recomendam o uso dos métodos semi-empíricos, uma vez que os clássicos ficam

limitados ao conjunto de parametrização e não conseguem descrever propriedades de caráter

quântico como a quebra e formação de ligações [23].

Um grande número de complexos de inclusão entre CDs/convidados tem sido estudado,

porém a grande maioria não considera o solvente. Os resultados são relevantes para comparação

com dados obtidos em fase gasosa ou em estado cristalino. Outros consideram o meio continuo,

no entanto nesse caso não se podem ver efeitos como ligação de hidrogênio e por fim outros

consideram as moléculas do solvente explicitamente.

No trabalho de Estrada e colaboradores [24], foi investigado o complexo de inclusão do

salbutamol e β-ciclodextrina com o meio aquoso representado por 40 moléculas de água. Os

estudos de modelagem molecular foram realizados com níveis de cálculo MM2 e PM3 e puderam

prever duas diferentes orientações do salbutamol na cavidade da β-ciclodextrina quando estes

foram realizados no vácuo e em solução aquosa (Figura 05).

Figura 05: Representação das duas possibilidades do salbutamol na cavidade da β-CD. [24]

(Complexo A) (Complexo B)

37

FONTE: Scifinder Scholar 2007

Figura 04: Representação cronológica do estudo das CDS com diferentes métodos teóricos: ( MM, MD,

semi-empírico, ab initio, MC e DFT).

De fato, os métodos clássicos são ainda os mais usados, mas há um crescimento constante

no uso de métodos baseados na química quântica e na teoria do funcional da densidade. A

comparação entre os vários métodos é inevitável. Trabalhos como o de Lipkowitz [22] sugerem e

recomendam fortemente o uso de mecânica molecular ao invés dos métodos semiempíricos AM1

e PM3 para a previsão das estruturas de complexos de inclusão com CDs. Tal inferência foi

fundamentada em um número expressivo de trabalhos sobre a aplicação de química

computacional ao estudo de ciclodextrinas.

Entretanto, mais recentemente, Liu e Guo publicaram uma revisão sobre o uso de métodos

quânticos ao estudo da química das ciclodextrinas [23], comparando diversos resultados de

métodos quânticos e clássicos descritos na literatura e apontando que os métodos semi-empíricos

têm resultado em estruturas mais semelhantes àquelas determinadas pelas técnicas de difração.

36

Os resultados teóricos são de duas naturezas: os observáveis e os não observáveis, a

exemplo do momento de dipolo e das cargas atômicas, respectivamente. Os últimos ajudam os

químicos experimentais a justificar suas observações fornecendo informações que não podem ser

medidas, enquanto que os primeiros são usados para comparações ou previsões de medidas

experimentais.

Os dados gerados por métodos teóricos podem ser racionalizados e auxiliar os

pesquisadores experimentais a resolverem seus problemas, fornecendo a estes, mais um valioso

instrumento de interpretação de dados [23].

As ferramentas clássicas como a mecânica molecular (MM) e a dinâmica molecular (MD)

têm propiciado um entendimento da estrutura e do processo de formação dos complexos de

inclusão. A popularização dos métodos quânticos se deve principalmente ao aprimoramento dos

recursos computacionais nos últimos tempos, possibilitando a aplicação destes métodos para

sistemas bem maiores como as CDs [23]. A figura 04 mostra a variação do uso dos vários

métodos nos últimos 10 anos no estudo das CDs.

35

Todas as variáveis que definem a geometria do sistema são modificados em pequenos

incrementos e, com o uso de métodos de minimização do gradiente, a geometria é otimizada (ou

seja, a EE é minimizada). É importante lembrar que a minimização é um método interativo de

otimização geométrica que depende da geometria de partida. A minimização geralmente leva ao

mínimo local mais próximo e não ao mínimo global. Para que a análise conformacional seja feita

com alguma segurança são feitos incrementos nos valores dos ângulos diedros de todas as

ligações passíveis de rotação para explorar o espaço conformacional da molécula

1.3. ABORDAGEM TEÓRICA AO ESTUDO DAS CICLODEXTRINAS

A modelagem molecular consiste na geração, manipulação e, ou representação realista de

estruturas moleculares e dos cálculos das propriedades físico-químicas associadas. Isto pode ser

realizado com o auxílio dos computadores, na medida em que utiliza como instrumento

matemático à química teórica e a computação gráfica como ferramenta para manusear os modelos

[21].

O constante desenvolvimento dos programas tem possibilitado que pessoas não

especialistas nessa área do conhecimento usem com facilidade todo o arcabouço teórico como

mais uma ferramenta para interpretar as propriedades e o comportamento de sistemas

moleculares[22].

Isso tem restringido o uso dos métodos muitas vezes, porque o usuário não é capaz de

julgar a qualidade dos cálculos. Por outro lado, tem motivado os mesmos a conhecer cada vez

mais as potencialidades e fraquezas das inúmeras possibilidades dadas pela química

computacional [22].

34

sendo, Es é a energia de estiramento (ou compressão) de uma ligação, Eb é energia de deformação

angular, Ew é a energia de torção em torno de ligações e Enb é a energia de interação não-ligante.

Cada uma dessas funções de energia representa a diferença de energia entre uma molécula

real e uma molécula hipotética, sendo que todos os parâmetros estruturais, como comprimentos

de ligação e ângulos de ligação, estão exatamente em seus valores ideais ou naturais.

Diferentemente dos métodos quânticos, os métodos de mecânica molecular não são

regidos por razões ou argumentos teóricos, podendo ser visto como um simples ajuste para

descrever com a maior exatidão possível uma representação da SEP, mantendo o baixo custo

computacional. Por isso são extremamente rápidos e capazes de trabalhar com sistemas muito

grandes, como uma enzima, com facilidade.

E freqüentemente, quando um tratamento mais refinado na SEP é requerido, a geometria

otimizada pela MM pode ser usada como ponto de partida para cálculos da mecânica quântica.

Alguns métodos MM são também precisos assim como método ab initio, particularmente para

hidrocarbonetos.

Algumas desvantagens dos métodos de MM são que algumas classes de moléculas

de interesse não estão correntemente parametrizadas e a MM não é apropriada para as

determinações de propriedades em que o efeito eletrônico (por exemplo: interações de orbitais,

quebra de ligações etc.) é predominante. Um dos campos de força mais utilizados em cálculos de

mecânica molecular é denominado MM3 e foi desenvolvido por Allinger e colaboradores. [20].

Durante um cálculo de MM a geometria de uma molécula é especificada de acordo

com as suas coordenadas atômicas e o tipo de átomo (carbonos de hibridizações diferentes

possuem parâmetros diferentes para descreverem suas interações com os vizinhos). Assim, a

partir de um conjunto de dados de entrada, uma geometria inicial é especificada e sua energia

estérica(EE) é calculada.

33

como uma reparametrização do AM1, já que nenhuma modificação foi feita na estrutura do

método. Uma analise estatística mostrou que o RM1 é dentre os métodos NDDO o mais exato.

No entanto, mais, recentemente Stewart lançou o método PM6, que como o RM1, é mais

um método derivado do MNDO. No entanto, o PM6 é diferente do RM1 na idéia, uma vez que

ele altera a estrutura do modelo ao propor uma nova formulação matemática para a repulsão

átomo-átomo.

Neste método o número de gaussianas esféricas na função de repulsão caroço-caroço, para

cada átomo, foi diminuída para apenas uma. Porém, para compensar a falta das outras gaussianas

e até para melhorar a exatidão, n método PM6, foram inseridos parâmetros diatômicos na função

de repulsão e a equação de repulsão caroço-caroço foi substituída por um conjunto de quatro

equações: (i) para os pares N-H e O-H; (ii) outra para o par C-C; (iii) para o para Si-O e (iv)

para todos os outros pares restantes).

MECÂNICA MOLECULAR

Os métodos de mecânica molecular (MM) usam funções clássicas para descrever a

superfície de energia potencial (SEP) e propriedades físicas das moléculas. Uma molécula é vista

como uma coleção de átomos que interagem entre si por forças que são representadas por funções

analíticas simples diferenciáveis – os chamados campos de força.

Essas forças podem ser descritas como funções de energia potencial de características

estruturais, como comprimentos de ligação, ângulos de ligação, interações não-ligantes entre

outras. A energia potencial total, ou energia estérica (EE), da molécula é representada na forma

mais simples pela equação abaixo

E = Es + Eb + Ew + Enb

32

Os erros do AM1 eram bem menores que os do MNDO. Com essas funções Gaussianas

foi possível então descrever, entre outras coisas, ligações de hidrogênio para alguns casos

importantes em sistemas biológicos. Apesar disso, havia erros remanescentes que poderiam ser

atribuídos a uma parametrização incompleta. O problema das técnicas de parametrização é que o

que se busca é um mínimo global na hipersuperfície de parâmetros, uma superfície de dezenas de

dimensões. Normalmente, o que se encontra é um mínimo local aceitável. Entretanto, a procura

do mínimo global que faça sentido químico é um objetivo permanente do desenvolvimento destes

métodos. Assim, Stewart aprimorou a técnica de parametrização e publicou o método PM3

(Parametric Method 3) [16], o qual apresentava erros menores que o AM1, principalmente para

as entalpias de formação.

O método PM3 difere do método AM1 principalmente em relação ao tipo de

parametrização realizada. Neste método, todos os parâmetros são ajustados simultaneamente de

forma a reproduzir dados experimentais, enquanto no AM1 alguns parâmetros são derivados

diretamente de dados experimentais e outros são determinados até que o resultado encontrado

seja satisfatório, sempre baseados na intuição química [17].

Mais recentemente, o programa MOPAC2002 disponibilizou o método PM5, uma

expansão do PM3. No folheto de divulgação Stewart demonstra que este método, prevê calor de

formação com maior exatidão do que os outros semiempíricos. Porém, o uso tem mostrado que

propriedades geométricas de muitos sistemas químicos, como comprimento de ligação e ângulos

diedros, são descritos inapropriadamente [18]. Possivelmente, este é um dos motivos da não

publicação do método.

Com a idéia que uma etapa essencial para definir o sucesso de um método semiempírico é

sua parametrização, Rocha e colaboradores desenvolveram o RM1[19] – Recife Model One,

31

maioria, a parametrização tem como alvo obter calores de formação, geometrias, momento de

dipolo, potencial de ionização entre outras propriedades do estado fundamental.

O método MNDO – Modified Neglect of Diatomic Overlap – é o precursor dos métodos

que utilizam a aproximação NDDO. Para solucionar os problemas de seus antecessores no

arcabouço do MNDO, as propriedades as integrais de dois elétrons e um centro são derivadas de

dados experimentais e outras são interpretadas como a energia de interação entre duas densidades

de carga, classicamente podem ser estimadas por uma expansão de multipolos e, por fim, todos

os parâmetros são monoatômicos, o que facilitou a parametrização para um conjunto maior de

átomos.

Este método possibilitou a correção de muitos dos problemas que seus antecessores

apresentavam [13]. Cálculos de propriedades termodinâmicas e mecanismos de reação passaram

a ser preditos com certo êxito [14]. No entanto, este ainda continha algumas falhas que eram

consideradas graves, como, por exemplo, a dificuldade - quase impossibilidade - de descrever

ligações de hidrogênio [15]. Esta descrição é de grande importância para a maioria dos processos

biológicos. Além disso, o MNDO prevê uma alta instabilidade para as moléculas com

impedimentos estéricos, enquanto estabiliza demasiadamente anéis pequenos e energias de

ativação eram tendenciosamente superestimadas [15].

Os inúmeros cálculos efetuados com o MNDO sugerem que a principal fonte das falhas

apresentadas pelo MNDO surgiu da tendência de superestimar a repulsão entre os átomos. Dewar

e colaboradores adicionaram à função de repulsão nuclear MNDO um conjunto de duas ou quatro

gaussianas esféricas para cada átomo no intuito de diminuir tanto quanto possível a repulsão na

distância de van der Waals. Esta modificação aumentou o número de parâmetros e o novo

modelo foi completamente re-parametrizado. O resultado foi um novo método denominado AM1

– Austin Model 1.

30

Structure-Activity Relationship) e, além disso, muito deles buscam introduzir energia de

correlação com o intuito de resolver uma dificuldade inerente ao método HF.

O grande custo computacional do método HFRH surge da necessidade de calcular

inúmeras integrais de 2-elétrons, quando este formalismo é aplicado a sistemas contendo muitos

elétrons. Os métodos semiempíricos reduzem o número de integrais drasticamente usando o fato

que muitas dessas integrais são de pequena magnitude, especialmente as de spbreposição entre

orbitais centrados em átomos diferentes e entre orbitais diferentes centrados no mesmo átomo,

considerando explicitamente apenas os elétrons da camada de valência e utilizando, em geral, um

conjunto de base mínima formada por funções do tipo Slater (STOs - Slater type orbitals).[12]

As integrais não desprezadas são interpretadas fisicamente, sendo então substituídas por

parâmetros obtidos por ajustes numéricos ou derivados, no geral, de resultados experimentais. O

número de integrais desprezadas, as expressões usadas no cálculo das diversas parcelas integrais

necessárias e por fim os procedimentos de parametrização definem a diferença entre os vários

métodos semiempíricos. O surgimento destes métodos teve grande impacto devido à perspectiva

de se poder, em princípio, tratar sistema de interesse químico [12].

Os métodos semiempíricos mais utilizados atualmente usam basicamente dois níveis de

aproximação, em ordem decrescente do número de integrais desprezadas: INDO - Intermediate

Neglect of Differential Overlap e NDDO - Neglect of Diatomic Differential Overlap – os

métodos que usam a aproximação INDO têm objetivos diferentes dos métodos que usam a

aproximação NDDO. O método semi-empírico INDO/S – Spectroscopy INDO, é uma re-

parametrização do método INDO e tem como objetivo, com sua parametrização calcular

propriedades espectroscópicas tais como: estados excitados, espectros de absorção, forças de

oscilador, entre outras. Já nos métodos que têm como base a metodologia NDDO, em sua grande

29

Neste sentido, a 2-hidroxipropil-βCD vem sendo estudada como um carreador, a fim de

minimizar tais problemas. Assim, a química medicinal, fazendo uso de recursos da química

computacional, apresenta-se como uma das alternativas para o planejamento de novas estruturas

com as propriedades desejadas. Para isso são realizadas previsões de propriedades microscópicas

presentes nestes complexos, tais como as interações presentes e as propriedades termodinâmicas

responsáveis pela estabilidade dos mesmos.

1.2. MÉTODOS TEÓRICOS

O custo computacional do método ab initio mais simples, o método Hartree-Fock (HF), é

ainda hoje alto para muitas moléculas orgânicas e biológicas de interesse químico, apesar de toda

a evolução computacional sentida nas últimas décadas. O método HF não considera a correlação

eletrônica e por esta razão os métodos neste nível de aproximação apresentam erros nos cálculos

das energias moleculares comparáveis com os calores de atomização, o que os torna inaptos para

predizerem a existência de moléculas [11]. Isto, realmente, sugere que a vida para os químicos

teóricos nos anos 60-70 era bem difícil.

Nesse período, iniciou-se o desenvolvimento dos métodos semiempíricos derivados da

aproximação Hartree-Fock-Roothaan-Hall (HFRH). Estes procuram reduzir o custo

computacional para possibilitar a sua aplicação a moléculas fora do alcance dos cálculos ab

initios e para o cálculo de uma série de moléculas como nos estudos de QSAR (Quantitative

28

Estas substâncias são utilizadas no tratamento da toxoplasmose, uma zoonose que infecta

o gato e inúmeras outras espécies de vertebrados homeotérmicos. Ela tem como agente causador

o Toxoplasma gondii, um parasita intracelular obrigatório,que completa o ciclo nesta condição,

ocorre com muita freqüência na população humana sob a forma de infecção crônica assintomática

[8].

A doença pode ser congênita ou adquirida. No primeiro caso, é comum o aparecimento de

lesões graves do sistema nervoso central e retardo mental, levando muitas vezes o paciente ao

óbito. Na forma adquirida pode ocorrer mal-estar e febre, quadro este que pode se agravar,

causando complicações severas em pacientes com sistema imunológico deficitário, a exemplo

dos portadores da Síndrome da Imudeficiência Adquirida (AIDS) [9].

O tratamento desta infecção conta com um arsenal terapêutico reduzido, e as duas drogas

efetivas mencionadas são tóxicas nas doses requeridas e por isso levam a interrupção do

tratamento por parte dos pacientes. A pirimetamina é um exemplo de inibidor da síntese do folato

e, portanto, atua inibindo a enzima diidrofolato redutase (DHFR), responsável pela síntese de

DNA em células parasitárias e dos mamíferos. Enquanto isso a sulfadiazina atua inibindo a

enzima diidropteroato sintetase (DHPS), que por meio da catálise do ácido para-aminobenzóico

(PABA), forma o intermediário 7,8-diidropteroato sintetase, o qual atua em algumas bactérias na

formação do diidrofolato [10].

A PYR possui o incoveniente de ser fracamente seletiva, levando a inibição tanto da

DHFR parasitária quanto da humana, o que leva ao surgimento de inúmeros efeitos colaterais, a

exemplo de toxicidade hematológica e leucopenia. Essa falta de especificidade terapêutica

também persiste com a SFD, que é um derivado da sulfanilamina também produz os efeitos

indesejados inerentes a essa classe [10].

27

desvantagem de ser fracamente solúvel em água, o que dificulta sua utilização na complexação de

moléculas que requerem um aumento significativo de solubilidade. Possui como principal via de

administração a forma oral, já que na forma parenteral é comum o surgimento de nefrotoxicidade,

devido à formação de um complexo de baixa solubilidade entre a β-CD e o colesterol, o qual

precipita e impede a filtração glomerular [7 ].

Para contornar o problema da baixa solubilidade, muitas pesquisas têm sido realizadas

com o propósito de desenvolver ciclodextrinas modificadas, a fim de melhorar a solubilidade no

solvente desejado. No caso da água, esse objetivo é conseguido mediante a conversão dos grupos

hidroxilas para grupos sulfatados ou hidroxialquilados.[ 7 ]

No presente trabalho, é utilizada a 2-hidroxipropil-βCD (HP β-CD), que é um derivado

hidroxialquilado, sendo poderoso solubilizador de fármacos e que não possui a capacidade de

formar nos rins os complexos cristalinos de baixa solubilidade [7 ]. Este derivado apresenta-se

como um carreador de dois fármacos: a pirimetamina (PYR) e a sulfadiazina (SFD), cujas

estruturas químicas estão representadas na figura 03.

H2N

SO O

NH

N

N

N

N NH2H3C

Cl

Figura 03: Representação da estrutura química da pirimetamina (a) e da sulfadiazina (b).

(a) (b)

26

nem sempre são cooperativas, mas em vez disso podem atuar independentemente, ou às vezes até

mesmo contrapor uma à outra [6].

Dessa forma as contribuições mais importantes no processo de complexação citado

podem ser originadas por alguns fatores, tais como: (i) penetração da parte hidrofóbica da

molécula convidada dentro da cavidade da ciclodextrina e (ii) dehidratação dos convidados

orgânicos [6].

Isso é explicado na medida em que a cavidade da ciclodextrina por ser altamente

hidrofóbica, contribuindo para a substituição da água que se encontra no seu interior pela parte

hidrofóbica da molécula convidada, processo este, que sofre efeito combinado das contribuições

(i) e (ii) as quais podem ser comparadas com processos de interações tipicamente hidrofóbicas, a

exemplo da transferência de uma molécula orgânica de uma fase aquosa para uma fase orgânica

como é preconizado pelo parâmetro de hidrofobicidade de Hansh (п) [6].

A ligação de hidrogênio pode funcionar como um terceiro fator (iii) que contribui para a

estabilização dos complexos e também para a mudança conformacional obtida por meio da

liberação das moléculas de água no processo de complexação [6].

Nesse sentido as ciclodextrinas naturais, apresentam várias características para serem

utilizadas como complexos de inclusão: (i) estrutura química bem definida, resultando em muitos

locais para modificação ou conjugação química, (ii) disponibilidade de ciclodextrinas com

cavidades de diferentes tamanhos;(iii) baixa toxicidade e atividade farmacológica; (iv)

solubilidade em água e (v) possibilidade de proteção de moléculas inclusas/conjugadas contra a

degradação [5].

Por outro lado, analisando as cliclodextrinas naturais como um todo, percebe-se que a β-

CD é a mais utilizada, em virtude de seu baixo custo de produção e por apresentar um tamanho

de cavidade ideal para inclusão de vários compostos farmacêuticos. Em contrapartida, possui a

25

Em conseqüência deste arranjo estrutural, as CDs são utilizadas na formação de uma

grande variedade de complexos de inclusão, tanto na fase sólida como em solução aquosa [5]. A

cavidade hidrofóbica permite, através de uma associação reversível entre o hóspede e convidado,

a “dissolução” em meio aquoso de compostos de baixa solubilidade [3].

Tabela 01: Principais propriedades das ciclodextrinas naturais [3]

Propriedades α-ciclodextrina β-ciclodextrina γ-ciclodextrina

Solubilidade em água à 25ºC (%,m/v) 14,5 1,85 23,2

Diâmetro externo(Å) 14,6 15,4 17,5

Diâmetro da cavidade(Å) 4,7-5,3 6,0-6,5 7,5-8,3

Volume da cavidade(A3) 174 262 427

Esse tipo de comportamento é caracterizado como um fenômeno de reconhecimento

molecular em química e biologia que envolve apenas interações não covalentes, como interações

eletrostáticas (íon-íon, íon-dipolo, dipolo-dipolo, dipolo-dipolo induzido), interação de van der

Waals, ligação de hidrogênio, transferência carga-carga e efeitos estéricos. É interessante notar

que cada interação fraca, em geral, não é suficiente individualmente para levar a associação

específica de duas moléculas. Usualmente, a associação molecular não pode ser possível por uma

simples interação fraca, mas pela cooperação simultânea de várias interações fracas [6].

As ciclodextrinas não são “preorganizadas” ou flexíveis o suficiente para permitir

mudanças conformacionais alostéricas que são admissíveis em sistemas biológicos

supramoleculares. Ao contrário, nos seus complexos de inclusão, forças fracas que atuam na área

24

As moléculas de CDs são freqüentemente descritas como um cone truncado raso. As três

CDs naturais apresentam a mesma altura, mas os diâmetros dos anéis superiores e inferiores são

diferentes (ver tabela 01), os quais são determinados pelo número de unidades de glicose

constituintes da CD. As ligações α-(1-4) organizam a estrutura molecular de tal forma que as

hidroxilas secundárias encontram-se situadas no lado do anel que apresenta maior diâmetro,

enquanto as hidroxilas primárias encontram-se do lado de menor diâmetro (figura 02). Na parte

exterior do cone são encontradas as hidroxilas livres que atribuem um caráter hidrofílico à

superfície externa, ao passo que a cavidade é basicamente constituída de grupos CH e dos

oxigênios envolvidos nas ligações glicosídicas, tendo, portanto um caráter hidrofóbico [1,2].

Figura 02: Representação da face primária e da face secundária da ciclodextrina.

A presença de hidroxilas livres na parte externa da molécula confere uma certa

solubilidade para as CDs em meio aquoso, porém a solubilidade da β- CD [3] é menor do que a

solubilidade das outras CDs naturais (ver tabela 01) devido a formação de ligações de hidrogênio

intramoleculares, as quais diminuem o número de hidroxilas livres[4].

23

CAPÍTULO I

INTRODUÇÃO

1.1. CICLODEXTRINAS

As ciclodextrinas (CDs) são oligossacarídeos cíclicos constituídos por unidades de α-D-

glicose, unidas através de ligações glicosídicas α-(1,4). Esses compostos são obtidos a partir da

degradação do amido por certas enzimas [1], e dentre a enorme variedade encontrada, merecem

destaque as CDs naturais - α-CD, β- CD e γ- CD, as quais apresentam seis, sete e oito unidades

de glicose respectivamente, conforme representado na figura 01[1].

Figura 01: Representação das ciclodextrinas naturais (a) e da sua ligação glicosídica (b).

α β γγγγ

(a)

(b)

22

CAPÍTULO I

INTRODUÇÃO

21

ABSTRACT

Pyrimethamine (PYR) and sulfadiazine (SFD) are antiparasitic drugs used in the treatment of toxoplasmosis, a tropical disease caused by Toxoplasma gondii. In the convensional treatment, PYR and SFD act as inhibitors of essential metabolic of dihidrofolate redutase and dihydropteroate synthase enzymes. Owing to their low solubilities in water, it’s necessary to use them in high concentrations, which can induce some severe side effects leading patients to stop the treatment. On the other hand, this problem can be minimized when carriers, such as cyclodextrins (CDs) and their derivatives, are used to increase solubility in aqueous medium by formation of inclusion complexes.

In this work we studied theoretically the formation of inclusion complexes between SDZ/PIR and 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HPβCD), a non-toxic hydroxylalkylated cyclodextrin, by using of computational semi-empiric methods. We considered here two different HPβCD’s structure, one with 2-hydroxypropyl groups linked to βCD in all C2 positions and another one linked in all C6 positions. We also considered two different orientations for drug into HPβCD: NH2-in and NH2-out. After structural optimization and energy studies using molecular mechanics, semi-empirical AM1, PM3, PM6 and RM1 methods were used to find the minimum-energy structures and some thermodynamic properties. We used the COSMO (EPS=78.4) model to study the solvent effect in these systems.

According to experimental results, the preferential drug orientation for PYR is NH2-out and for SDZ is NH2-in in both HPβCD derivatives. Theoretical results of inclusion free energy confirmed this fact for: (i) HPβCD6/PYR system for all methods in vacuum and for PM3, PM6 and RM1 in COSMO; (ii) HPβCD2/PYR system for RM1 and PM6 in both medium; (iii) HPβCD6/SDZ system for all methods in vacuum and for RM1 and PM6 in COSMO; and (iv) HPβCD2/SDZ system for RM1 and PM6 in both medium.

Thus, results from PM3/vacuum method for these supramolecular systems are in according to experimental 1H NMR 2D (ROESY), even with positive free energy values in some cases. On the other hand, COSMO method did not present satisfactory results when it is compared to experimental data. Perhaps the existence of solvent molecules in these systems had been considering, COSMO calculation could describe satisfactorily the proprieties of complexes formed by cyclodextrin.

xx

20

RESUMO

Pirimetamina (PYR) e a sulfadiazina (SFD) são utilizadas no tratamento da toxoplasmose,

uma doença tropical causada pelo Toxoplasma gondi. No tratamento convencional, PYR e SFD atuam como inibidores das enzimas diidrofolato redutase e diidropteroato sintase, respectivamente. Devido a sua baixa solubilidade em água, torna-se necessário o uso dessas drogas em altas concentrações, que pode causar alguns efeitos colaterais, levando o paciente a abandonar o tratamento. Em contrapartida, este problema pode ser miminizado utilizando carreadores, como as ciclodextrinas (CDs) e seus derivados, usados para aumentar a solubilidade em meio aquoso através da formação de complexos de inclusão.

Assim, neste trabalho procuramos estudar teoricamente a inclusão da PYR e SFD em 2-hidroxipropil-β-CD (HPβCD), a ciclodextrina hidroxialquilada não tóxica, usando métodos semiempíricos. Nós consideramos as duas diferentes estruturas da HPPβCD´s, uma com grupos 2- hidroxipropil ligado em todas as posições do C2 da β-CD e outra ligado em todas as posições C6. Consideramos também duas orientações diferente da droga no interior da HPβCD: NH2-int and NH2-ext. Após a optimização da estrutura e estudos da energia usando a mecânica molecular, os métodos semiempíricos AM1, PM3, PM6 e RM1 foram usados para encontrar a estrutura de mínimo de energia e algumas propriedades termodinâmicas. O modelo COSMO (EPS=78.4) foi utilizado para estudar o efito do solvente nestes sistemas.

De acordo com resultados experimentais a PYR está orientada através do grupo NH2ext, enquanto que para a SFD a orientação ocorre pelo grupo NH2int na cavidade da HPβ-CD. Os resultados teóricos da energia livre de inclusão confirmaram este fato para a PYR nas seguintes situações: (i) com a HPβ-CD6 em todos os métodos no vácuo e para o PM3, RM1 e PM6 no COSMO (ii) com a HPβ-CD2 os métodos RM1e PM6 considerando ou não o solvente. Já para a SFD temos: (iii) com a HPβ-CD6 todos os métodos no vácuo e o RM1 e PM6 no COSMO e (v) estes dois últimos métodos no vácuo e COSMO com a HPβ-CD2.

De maneira geral, tanto para os complexos formados pela PYR como pela SFD, mesmo em alguns casos mencionados em que a energia livre de Gibbs é positiva, pode-se perceber que o método PM3 no vácuo foi capaz de reproduzir resultados obtidos pelo espectro de 1H NMR 2D (ROESY). Diante disto, provavelmente se o solvente for considerado explicitamente possa evidenciar a espontaneidade do processo, e assim o método PM3 seria o mais eficaz ao descrever as propriedades dos complexos de inclusão formados pela ciclodextrina.

Palavras chave: complexo de inclusão, mecânica molecular, métodos semiempíricos.

xix

19

AM1 Austin Model 1

PM3 Parametric Method 3

RM1 Recife Model 1

MM Molecular Mechanics

MD Molecular Dynamics

DTAB Brometo de deciltrimetilamônio

TTAB Brometo tetradeciltrimetilamônio

COSMO Conductor-like Screening Model

∆iE Variação de energia de inclusão

∆iH Variação da entalpia de inclusão

∆iS Variação da entropia de inclusão

∆iG Energia livre de inclusão

ROESY Rotating-frame Overhanser Effect Spectroscopy

xviii

18

LISTA DE SÍMBOLOS

CD’s Ciclodextrinas

HP β-CD 2-hidroxipropil-βCD

PYR Pirimetamina

SFD Sulfadiazina

DHFR Diidrofolato redutase

DHPS Diidropteroato sintetase

PABA Ácido p-aminobenzóico

HF Hartree-Fock

HFRH Hartree-Fock-Roothaan-Hall

QSAR Quantitative Structure-Activity Relationship

STOs Slater type orbitals

INDO Intermediate Neglect of Differential Overlap

NDDO Neglect of Diatomic Differential Overlap

MNDO Modified Neglect of Diatomic Overlap

xvii

17

LISTA DE TABELA

Tabela 01: Principais propriedades das ciclodextrinas naturais.

xvi

16

Figura 39: Representação das estruturas obtidas a partir dos métodos semiempíricos

AM1, PM3,RM1 e PM6 no vácuo para o complexo HP β-CD 2/PYR, com a

sulfadiazina na orientação NH2int.


AM1, PM3,RM1 e PM6 no vácuo para o complexo HP β-CD 6/SFD, com a

sulfadiazina na orientação NH2int.

xv

15

Figura 32: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD6/SFD,

para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e NH

no vácuo e no COSMO.

Figura 33: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD2/SFD,

para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado NH2ext e

NH2int no vácuo e no COSMO.

Figura 34: Produto da temperatura pela entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do

complexo HP β-CD6/SFD, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações

do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.

Figura 35: Produto da temperatura pela entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do

complexo HP β-CD2/SFD, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações

do convidado NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.

Figura 36: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-

CD6/SFD, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado

NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.

Figura 37: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-

CD2/SFD, para os métodos semiempíricos, para ambas as orientações do convidado

NH2ext e NH2int no vácuo e no COSMO.

Figura 38: Representação dos prótons da sulfadiazina e o eEspectro 1H ROESY do

sistema HP β-CD/SFD em D2O à 298,1K.

xiv

14

Figura 25: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-

CD6/PYR, para os métodos semiempíricos, com o convidado nas orientações NH2ext e

NH2int, no vácuo e no COSMO.

Figura 26: Energia livre de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-

CD2/PYR, para os métodos semiempíricos, com o convidado nas orientações NH2ext e

NH2int, no vácuo e no COSMO.

Figura 27: Espectro 1H ROESY do sistema HP β-CD/PYR em D2O à 298,1K com

tempo de medida de 200ms.


AM1, PM3, RM1 e PM6 no vácuo para o complexo HP β-CD 2/PYR, com a

pirimetamina na orientação NH2ext.


AM1, PM3,RM1 e PM6 no vácuo para o complexo HP β-CD 6/PYR, com a

pirimetamina na orientação NH2ext

Figura30: Representação do mapa da superfície de energia potencial a partir do método

MM3 para orientação NH2int da sulfadiazina na cavidade da HP β-CD2 e da HP HP

β-CD6.

Figura 31: Representação da curva de energia potencial a partir do método MM3 para

orientação NH2ext da sulfadiazina na cavidade da HP β-CD2 e o mapa da superfície

de energia potencial também pelo MM3 do mesmo convidado na mesma orientação, na

cavidade da HP HP β-CD6.

xiii

13

orientação, na cavidade da HP HP β-CD6.

Figura19: Representação da superfície de energia potencial MM3 para orientação

NH2-int da pirimetamina na cavidade da HP β-CD2 e da cavidade da HP β-CD6.

Figura 20: Variação da entalpia de formação da HP β-CD2 e HP β-CD6 com os

métodos semiempíricos AM1, PM3, RM1, PM6 no vácuo e no meio aquoso e a

energia MM3 no vácuo, em kcal.mol-1.

Figura 21: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1, do complexo HP β-CD6/PYR,



Figura 22: Entalpia de inclusão, medida em kcal.mol-1do complexo HP β-CD2/PYR,



Figura 23: Entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-CD6/PYR,



Figura 24: Entropia de inclusão, medida em kcal.mol-1,do complexo HP β-CD2/PYR,



xii

12

Figura 10: Representação da estrutura do fármaco quercetin.

Figura 11: Representação do complexo de inclusão quercetin- β-CD orientado a partir

da face primária e da face secundária.

Figura 12: Representação do complexo α- CD/ DTAB para o método AM1 e PM3.

Figura 13: Representação do fármaco permitrina.

Figura 14: Representação dos complexos de inclusão permitrina-(β-CD) e permitrina-

(β-CD)2

Figura 15: Representação das ligações de hidrogênio para as hidroxilas primárias

(verde )e secundária (violeta ) da β- CD.

Figura 16: Representação da estrutura mais estável da β- CD apenas com ligações de

hidrogênio nas hidroxilas secundárias.

Figura 17: Estrutura da β-ciclodextrina, com detalhe para a hidroxilas da posição 2, 3 e

6 como sítio de substituição preferencial.

Figura18: Representação da curva de energia potencial a partir do método MM3 para

orientação NH2ext da pirimetamina na cavidade da HP β-CD2 e o mapa da superfície

de energia potencial também pelo método MM3 do mesmo convidado na mesma

xi

11

LISTA DE FIGURAS

Figura 01: Representação das ciclodextrinas naturais e da sua ligação glicosídica.

Figura 02: Representação da face primária e da face secundária da ciclodextrina.

Figura 03: Representação da estrutura química da pirimetamina e da sulfadiazina.

Figura 04: Representação cronológica do estudo das CDS com diferentes métodos

teóricos: (MM, MD, semi-empírico, ab initio, MC e DFT).

Figura 05. Representação das duas possibilidades do salbutamol na cavidade da β-CD.

Figura 06: Complexo de inclusão DBP – Per-Ac- β-CD.

Figura07: Representação do complexo mais estável do enantiômero S, miconazol/ β-

CD.

Figura 08: Representação da estrutura do 1-(2-dimetilamino) (etil)-3-metoxi-5-nitro-

1H- indazol (5NI).

Figura 09: Complexos de inclusão (a) 5-NI- β-CD e (b) 5-NI-DMβ-CD.

x

10

SUMÁRIO SS

Lista de Figuras x

Lista de Tabelas xvi

Lista de Símbolos xvii

Resumo xix

Abstract xx

Capítulo I – Introdução 21

1.1 Ciclodextrinas 22

1.2 Métodos Teóricos 28

1.3 Abordagem teórica ao estudo das ciclodextrinas 34

Capítulo II – Objetivos 51

2.1 Objetivo Geral 52

2.2 Objetivos Específicos 53

Capítulo III – Metodologia 54

3.1 Modelagem das Estruturas 55

3.2 Formação dos complexos com PYR e a SFD 57

Capítulo IV – Resultados e discussão 58

4.1 Estudo do complexo de inclusão PYR/ HPβCD 59

4.2 Cálculo das propriedades termodinâmicas dos complexos com PYR/ HPβCD

63

4.3 Estudo do complexo de inclusão SFD/ HPβCD 77

4.4 Cálculo das propriedades termodinâmicas dos complexos com SFD/ HPβCD

81

Capítulo V – Conclusão e trabalhos futuros 93

5.1 Conclusões 94

5.2 Trabalhos futuros 96

Capítulo VI – Referências Bibliográficas 97

ix

9

ATUAÇÃO PROFISSIONAL Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia. Sergipe 2009 Vinculo Institucional como Professor Efetivo, Enquadramento Funcional, Carga horária:

40h Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil 2008 Vínculo institucional Professor substituto, Enquadramento Funcional, Carga

horária: 40h ARTIGOS COMPLETOS PUBLICADOS EM PERIÓDICOS DEARAUJO, M ; VIEIRA, E ; SILVALAZARO, G ; CONEGERO, L ; ALMEIDA, L ; BARRETO, L ; DACOSTAJR, N ; GIMENEZ, I ; VIEIRA, E. K. B. . Sulfadiazine/hydroxypropyl-β- cyclodextrin host guest system: Characterization, phase-solubility and molecular modeling. Bioorganic & Medicinal Chemistry, v. 16, p. 5788-5794, 2008. DEARAUJO, M ; VIEIRA, E ; LAZARO, G ; DESOUZACONEGERO, L ; FERREIRA, O ; ALMEIDA, L ; BARRETO, L ; DACOSTAJR, N ; GIMENEZ, I ; VIEIRA, E. K. B. . Inclusion complexes of pyrimethamine in 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin: Characterization, phase solubility and molecular modelling. Bioorganic & Medicinal Chemistry, v. 15, p. 5752-5759, 2007. PARTICIPAÇÃO EM EVENTOS V Seminário de Química. 2008. (Seminário). 2. I Encontro Sergipano de Química. 2008. (Encontro). 3. I Seminário de Pesquisa em Engenharia Química. 2007. (Seminário). 4. XII Encontro Sergipano de Física. 2007. (Encontro). 5. I Semana Tecnológica de Química. 2007. (Outra).

viii

8

RESUMO DO CURRICULUM VITAE DADOS PESSOAIS Nome: Elze Kelly Barbosa Vieira. Nome em citações bibliográficas: VIEIRA, E.K.B. Sexo: Feminino FORMAÇÃO ACADÊMICA/TITULAÇÃO 2008 Mestrado em Química ( concluindo)

Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil Título: Estudo dos complexos de inclusão com ciclodextrina: Uma visão semiempírica.

Orientador: Nivan Bezerra da Costa Jr. 1999-2005 Graduação em Química Licenciatura. Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil. FORMAÇÃO COMPLEMENTAR 2008 – 2008 Análise por difração de raio-X. (Carga horária: 4h). Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil. 2008 – 2008 RMN:Princípios Básicos e Elucidação Estrutural. (Carga horária: 15h). Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil. 2007 – 2007 Minimização de Efluentes Aquosos. (Carga horária: 4h). Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil. 2007 – 2007 Métodos espectroscópicos em Biofisica. (Carga horária: 6h). Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil. 2004 – 2004 Separação de Enzimas. (Carga horária: 8h). Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil. 2004 – 2004 Jogos Didáticos:Um elemento motivador para ensinar. (Carga horária: 15h). Universidade Federal de Sergipe, UFS, Brasil.

vii

7

À Márcia Valéria Gaspar De Araújo que juntamente com a Profa. Dra. Iara de Fátima

Gimenez me ajudaram a aprimorar este trabalho e por sua essencial contribuição com

obtenção dos resultados experimentais.

Ao Professores do Departamento, em especial aos professores Dra. Ledjane Silva Barreto e

Dr. Luiz Eduardo Almeida pelo incentivo e apoio.

Aos meus amigos do laboratório de química computacional:Lindaura, Maria, Diogo,

Luciano, Júlio e em especial a Danilo e Grazi que sempre me acompanharam, solidários e

preocupados nos momentos difíceis, felizes com as minhas vitórias, agradeço a amizade, o

carinho e a companhia alegre nestes anos.

De uma maneira muito especial e com muito carinho agradeço a três pessoas no laboratório

de química computacional que tiveram uma preocupação ainda maior e um carinho

fraternal todo especial: Ricardo, Leandro e Cristiane – Muito obrigada por tudo!

Aos funcionários do departamento de Química da UFS, e em especial à Ednalva, Elisa,

Ismael e Ricardo pelo apoio sempre presente.

Aos novos amigos que fiz no decorrer da realização deste trabalho, em especial a Thiago e

a Silvânio.

Aos membros da banca examinadora da qualificação e da defesa pelas opiniões valiosas e

preciosas sugestões.

E a CAPES pelo suporte financeiro.

vi

6

AGRADECIMENTOS

Neste momento especial de mais uma conquista agradeço em primeiro lugar a Deus, por

ter me dado força e determinação para vencer todos os obstáculos que encontrei no

decorrer deste período até alcançar mais um dos objetivos da minha vida.

Agradeço a meu anjo da guarda, minha mãe, que acredito está sempre ao meu lado

iluminando meus passos e me auxiliando em minhas decisões.

Agradeço aos meus familiares meu pai (Evandro) e minha segunda mãe (Regina) e aos

meus irmãos Júnior, Danilo, Marcilio, Denise e Eduardo além de Patrícia, George, Soraya e

Sharon e também Ângela Cristina que contribuíram de maneira muito especial com os seus

incentivos e com confiança que depositaram em mim por todo esse tempo.

As minhas tias, em especial a Tia Tita, e aos meus primos e primas.

As pessoas que estavam mais próximas me encorajando e me dando força nos momentos

de mais difíceis: Carlinhos,D. Valdete e Rosimêre Cristiane.

Ao meu orientador Prof. Dr. Nivan Bezerra da Costa Jr., por quem tenho uma enorme

admiração, o grande responsável para a realização de tal trabalho. Que foi muito mais do

que um orientador durante este período,uma pessoa muita amiga que me incentivou para

conseguir alcançar não só esta conquista, mas também outras que apareçam no decorrer

deste tempo. Demonstrando uma grande satisfação e felicidade a cada conquista o meu

MUITO OBRIGADA NIVAS!

A minha Co-orientadora Profa. Dra. Iara de Fátima Gimenez, agradeço a boa vontade,

simpatia, amizade e incentivo que me ofereceu.

v

5

A máscara tem o misticismo de dar razão à

alegria, tristeza, revelar ou ocultar

sentimentos.

Tirar a máscara é a condição para que

apareça a verdadeira face humana no

esplendor de sua verdade. (Autor

desconhecido)

iv

4

“Não deixe que a saudade sufoque, que a rotina acomode, que o medo impeça de tentar. Desconfie do destino e acredite em você. Gaste mais horas realizando que sonhando, fazendo que planejando, vivendo que esperando, porque, embora quem quase morre esteja vivo, quem quase vive já morreu. “

(Luiz Fernando Veríssimo)

Dedico o presente trabalho:

Ao meu Anjo da guarda: Minha MÃE!

(in memorian)

iii

3

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTR AL UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

V657e

Vieira, Elze Kelly Barbosa Estudos dos complexos de inclusão com ciclodextrina : uma visão semiempírica / Elze Kelly Barbosa Vieira. – São Cristóvão, 2009.

103 f. : il.

Dissertação (Mestrado em Química) - Universidade Federal de Sergipe, 2009.

Orientador: Prof. Dr. Nivan Bezerra da Costa Júnior 1. Química. 2. Mecânica molecular. 3. Ciclodextrina.

4. Pirimetamina. 5. Sulfadiazina. I. Título.

CDU 542.9

2

Estudo dos complexos de inclusão com

ciclodextrina: Uma visão Semiempírica.

ELZE KELLY BARBOSA VIEIRA

Orientador: Prof. Dr. Nivan Bezerra da Costa Júnior.

São Cristóvão 2009

Dissertação apresentada ao Núcleo de Pós-Graduação em Química da Universidade Federal de Sergipe como um dos requisitos para obtenção do titulo de Mestre em Química

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA

NÚCLEO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA

Estudo dos complexos de inclusão com

ciclodextrina: Uma visão Semiempírica.

São Cristóvão 2009

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